JP6975704B2 - Multicolor detector - Google Patents
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Description
本発明は,複数のキャピラリ又はマイクロチップ内部に設けられた複数のチャンネルにレーザビーム等の光を照射し,キャピラリ又はチャンネルの内部に存在する物質が出射する蛍光,燐光,散乱光等を高感度に検出する多色検出装置に関する。 The present invention irradiates a plurality of channels provided inside a plurality of capillaries or microchips with light such as a laser beam, and has high sensitivity to fluorescence, phosphorescence, scattered light, etc. emitted by substances existing inside the capillaries or channels. The present invention relates to a multicolor detection device for detecting light.
分離媒体を充填した複数のキャピラリ(外径100〜400μm,内径25〜100μmのガラス毛細管)による電気泳動分析を並列処理することによって個々のキャピラリで異なるDNAサンプルの塩基配列解読を一括して行うキャピラリアレイDNAシーケンサが広く利用されている。この機構について次に説明する。市販のキャピラリは,柔軟性を持たせるため,外表面にポリイミドの被覆膜を形成している。各キャピラリの電気泳動路長が一定の部分,例えばキャピラリの試料注入端から30cmの距離の位置近傍を,被覆膜を除去した状態で同一平面上に揃えて並べ,レーザビームを上記のキャピラリ配列平面に沿って側面方向から照射することで,複数のキャピラリを同時に照射する。以降,本明細書では,上記のキャピラリ配列平面を,単に,配列平面と呼ぶことがある。上記の各キャピラリ内部を電気泳動する蛍光標識DNAは,レーザビームを通過する際,レーザ照射による励起を受けて蛍光を発光する。ここで,DNAは,A,C,G,Tの塩基種に応じて4色の蛍光体に染め分けられている。その結果,各キャピラリのレーザ照射位置は発光点となり,複数の発光点が間隔pで直線上に並ぶ。以降,これを発光点アレイと呼ぶ。発光点の数(キャピラリの本数)をnとすると,発光点アレイの全幅Wは,W=p*(n−1)である。例えば,p=0.36mm,n=24のとき,W=8.28mmである。蛍光検出装置は,発光点アレイからの各発光を分光しながら一括検出する。この装置構成は,特許文献1の図3に示されている。
By parallel processing electrophoretic analysis with multiple capillaries (glass capillaries with an outer diameter of 100 to 400 μm and an inner diameter of 25 to 100 μm) filled with a separation medium, the base sequence of different DNA samples can be decoded collectively for each capillary. Array DNA sequencers are widely used. This mechanism will be described below. Commercially available capillaries have a polyimide coating on the outer surface to give them flexibility. The part where the electrophoresis path length of each capillary is constant, for example, the vicinity of the position at a distance of 30 cm from the sample injection end of the capillary is aligned on the same plane with the covering film removed, and the laser beam is arranged in the above-mentioned capillary arrangement. By irradiating from the side along the plane, multiple capillaries are irradiated at the same time. Hereinafter, in the present specification, the above capillary array plane may be simply referred to as an array plane. When the fluorescently labeled DNA electrophoresed inside each of the above capillaries passes through a laser beam, it receives excitation by laser irradiation and emits fluorescence. Here, the DNA is dyed into four-color phosphors according to the base species of A, C, G, and T. As a result, the laser irradiation position of each capillary becomes a light emitting point, and a plurality of light emitting points are arranged on a straight line at an interval p. Hereinafter, this is referred to as a light emitting point array. Assuming that the number of light emitting points (the number of capillaries) is n, the total width W of the light emitting point array is W = p * (n-1). For example, when p = 0.36 mm and n = 24, W = 8.28 mm. The fluorescence detector collectively detects each emission from the emission point array while spectroscopically. This device configuration is shown in FIG. 3 of
まず,共通集光レンズによって各発光を平行光束化する。以降,「共通」という表現は,複数(n個)の発光点について1個の光学素子を用いる(n:1の対応)という意味で用いる。反対に,「個別」という表現は,1つの発光点について1個の光学素子を用いる(1:1の対応)という意味で用いる。ここで,共通集光レンズの焦点距離をf,有効径をD1とすると,W<f,W<D1である。例えば,f=50mm,D1=36mmである。次に,平行光束をロングパスフィルタに通してレーザビームの波長をカットし,さらに共通透過型回折格子を透過させて各キャピラリの長軸方向,すなわち発光点アレイの配列方向及び共通集光レンズの光軸の両者に直交する方向に波長分散させる。ここで,共通透過型回折格子の有効径をDGとすると,検出効率を低下させないためには,D1≦DGである必要がある。例えば,DG=50mmである。続いて,共通結像レンズで各平行光束を2次元センサ上に結像させる。ここで,共通結像レンズの有効径をD2とすると,検出効率を低下させないためには,D1≦D2である必要がある。例えば,D2=36mmである。以上により,発光点アレイからの各発光の波長分散スペクトルを一括して取得できる。最後に,各波長分散スペクトルの時間変化を分析することによって4色の蛍光強度の時間変化を求め,塩基種の順番,すなわち塩基配列を決定する。 First, each emission is made into a parallel luminous flux by a common condenser lens. Hereinafter, the expression "common" is used to mean that one optical element is used for a plurality of (n) light emitting points (correspondence of n: 1). On the contrary, the expression "individual" is used to mean that one optical element is used for one light emitting point (1: 1 correspondence). Here, assuming that the focal length of the common condenser lens is f and the effective diameter is D1, W <f and W <D1. For example, f = 50 mm and D1 = 36 mm. Next, the parallel light beam is passed through a long-pass filter to cut the wavelength of the laser beam, and the common transmission type diffraction grating is passed through to pass the parallel light beam in the long axis direction of each capillary, that is, the arrangement direction of the emission point array and the light of the common condenser lens. Wavelength is dispersed in the direction orthogonal to both axes. Here, assuming that the effective diameter of the common transmission type diffraction grating is DG, it is necessary that D1 ≦ DG in order not to reduce the detection efficiency. For example, DG = 50 mm. Subsequently, each parallel luminous flux is imaged on the two-dimensional sensor with a common imaging lens. Here, assuming that the effective diameter of the common imaging lens is D2, it is necessary that D1 ≦ D2 in order not to reduce the detection efficiency. For example, D2 = 36 mm. As described above, the wavelength dispersion spectrum of each emission from the emission point array can be collectively acquired. Finally, the time change of the fluorescence intensity of the four colors is obtained by analyzing the time change of each wavelength dispersion spectrum, and the order of the base species, that is, the base sequence is determined.
4色の蛍光を同時に検出する他の手段が,非特許文献1の図2に示されている。まず,1個の発光領域からの発光を1個の集光レンズ(ここでは,対物レンズ)によって平行光束化する。ここで,発光領域の全幅をW,対物レンズの焦点距離をf,有効径をD1とすると,W<f,W<D1である。用いられている対物レンズは,オリンパスのUPLSAPO 60× Wであり,W=0.44mm,f=3mm,D1=20mmである。次に,平行光束を1組の3種類のダイクロイックミラーによって4色の4つの平行光束に分割させる。続いて,各平行光束を1組の4個の結像レンズで4つの2次元センサ上にそれぞれ結像させる。ここで,各結像レンズの有効径をD2とすると,検出効率を低下させないためには,D1≦D2である必要がある。以上により,発光領域の4色の4分割像を一括して取得できる。
Another means of simultaneously detecting the fluorescence of four colors is shown in FIG. 2 of
一方,発光点アレイからの発光を同時に検出する他の手段が,特許文献2の図1に示されている。まず,個別集光レンズアレイによって発光点アレイからの各発光を平行光束化する。ここで,発光点の間隔をp,発光点の数をnとすると,発光点アレイの全幅はW=p*(n−1)であり,各集光レンズの有効径をD1とすると,D1<Wである。また,D1<pとすることによって,各集光レンズが直線上に並んだ個別集光レンズアレイとすることができる。次に,各平行光束を個別センサアレイのそれぞれの個別センサに入射させる。以上により,発光点アレイからの発光強度を一括して取得できる。
On the other hand, another means for simultaneously detecting light emission from the light emission point array is shown in FIG. 1 of
特許文献1の蛍光検出装置は,各発光点からの発光の集光効率(共通集光レンズによる集光効率),検出効率(集光効率,ロングパスフィルタの透過率,回折格子の回折効率等を踏まえた,センサによる蛍光検出に寄与する発光のトータルの利用効率)が高く,また,回折格子による分光精度も高い。しかしながら,2つの共通レンズ(カメラレンズを利用)を含み,W<f,W<D1≦D2の関係があることから,W一定とすると,装置の全体サイズが非常に大きく,装置の製造コストが高いことが課題である。例えば,f=50mm,D1=36mm,D2=36mmの場合,蛍光検出装置の全体サイズは,直径100mm,高さ200mmの円柱の体積(1.6×106mm3)よりも大きくなる。本明細書では,蛍光検出装置の全体サイズを,発光点から結像点までの光学系の占有体積で表現し,センサ自体の占有体積は含めないことにする。また,W≪f,W≪D1とすることはできないため(実現するためには巨大なカメラレンズが必要),光軸付近の発光点(発光点アレイの中央付近に位置する発光点)の検出効率と比較して,光軸から離れた発光点(発光点アレイの端付近に位置する発光点)の検出効率が低下し,発光点毎に感度にばらつきが生じる課題がある。
The fluorescence detection device of
しかし,これらの課題を解決すること,すなわち,発光点アレイからの4色の発光を同時に識別しながら検出する装置を小型化及び低コスト化し,各発光の感度ばらつきを低減することはこれまで行われてこなかった。蛍光検出装置を小型化できれば,キャピラリアレイDNAシーケンサを小さな領域に設置できたり,持ち運びできるようになったり,あるいは使い勝手が向上したりする。また,蛍光検出装置の部品点数が減ったり,各部品のサイズが小さくなったりすることによって製造コストが低減される。さらに,各発光点の感度ばらつきを低減することにより,各キャピラリで分析されるサンプルの定量的な比較が可能になり,発光点アレイのトータルの感度及びダイナミックレンジを向上させることができる。これらの結果,キャピラリアレイDNAシーケンサはさらに普及し,より一層,世の中に貢献することができる。 However, it has been possible to solve these problems, that is, to reduce the size and cost of a device that simultaneously identifies and detects the emission of four colors from the emission point array, and to reduce the variation in the sensitivity of each emission. I didn't come. If the fluorescence detection device can be miniaturized, the capillary array DNA sequencer can be installed in a small area, can be carried around, or the usability is improved. In addition, the number of parts of the fluorescence detection device is reduced, and the size of each part is reduced, so that the manufacturing cost is reduced. Furthermore, by reducing the sensitivity variation of each emission point, it is possible to quantitatively compare the samples analyzed in each capillary, and it is possible to improve the total sensitivity and dynamic range of the emission point array. As a result, the capillary array DNA sequencer has become more widespread and can contribute to the world even more.
非特許文献1に示される蛍光検出装置を用いて,同様の発光点アレイからの4色発光の同時蛍光検出を行うことができる。ただし,ここで用いられている対物レンズでは,W=0.44mmであるため,例えば,発光点アレイの全幅W=8.28mmの一部しか検出できない。そこで,対物レンズ及び4つの個別結像レンズの代わりに,キャピラリアレイDNAシーケンサと同様に共通集光レンズ及び4つの共通結像レンズを用いる。このとき,3種類のダイクロイックミラーの有効径をDMとすると,平行光束に対して45°傾けて配置するため,検出効率を低下させないためには,√2×D1≦DMである必要がある。例えばDM=71mmである。したがって,4つのカメラを含めなくても,蛍光検出装置の全体サイズは特許文献1の場合よりもさらに大きくなり,それだけ製造コストも高くなる。これに加えて,4つのカメラが占める空間は大きく,そのコストも非常に高い。発光点毎の感度ばらつきの課題もそのまま残る。
Using the fluorescence detection device shown in Non-Patent
一方,特許文献2に示される蛍光検出装置を用いることは,D1<Wのため,装置サイズを小さくできる可能性があるが,1色の蛍光検出のみに対応していることが課題である。そこで,特許文献1に倣い,回折格子による波長分散と組み合わせることを考える。n個の発光点からの発光を,n個の個別集光レンズで平行光束とし,それぞれをn個の個別透過型回折格子を透過させて波長分散させ,n個の個別結像レンズでn個の1次元又は2次元の個別センサ上に結像させる。すなわち,特許文献1の蛍光検出装置を小型化し,それをn個並列に並べた構成である。ここで,D1<p,p=0.36mmのため,例えば,D1=0.3mmとする。透過型回折格子の有効径DGは,D1≦DGと同時に,隣接する回折格子との立体障害を受けないため,DG<pとする必要があり,例えば,DG=0.3mmとすれば良い。以上の蛍光検出装置は,特許文献1の場合と比較して装置の小型化が可能であるが,微細な光学部品をそれぞれn個ずつ作製し,それぞれを所定の位置に配列することは困難であり,それだけ製造コストが高くなる。また,DG=0.3mmの透過型回折格子を作製すること自体が困難である。
On the other hand, using the fluorescence detection device shown in
次に,非特許文献2に倣い,3種類のダイクロイックミラーと組み合わせることを考える。n個の発光点からの発光を,n個の個別集光レンズで平行光束とし,n個の平行光束をそれぞれ,n組×3種類の個別ダイクロイックミラーを用いて,n組の4色の4分割平行光とし,n組×4個の個別結像レンズでn組×4個の個別センサ上に結像させる。すなわち,非特許文献1の蛍光検出装置を小型化し,それをn個並列に並べた構成である。ここで,D1<p,p=0.36mmのため,例えば,D1=0.25mmとする。各ダイクロイックミラーの有効径DMは,√2×D1≦DMと同時に,隣接するダイクロイックミラーとの立体障害を受けないため,DM<pとする必要があり,例えば,DM=0.35mmとすれば良い。以上の蛍光検出装置は,特許文献1の場合と比較して発光点による感度のばらつきは低減されるが,微細な光学部品をぞれぞれn個又はn組ずつ作製し,それぞれを所定の位置に配列することは困難であり,それだけ製造コストが高くなる。また,n個の4分割像を立体障害を避けながら配置すること自体が困難である。さらに,DM=0.35mmのダイクロイックミラーを作製すること自体も困難である。
Next, following
以上では,キャピラリアレイDNAシーケンサの蛍光検出装置に適用することを想定して4色蛍光検出について述べたが,課題はキャピラリあるいは4色蛍光検出に限定されるものではなく,任意の発光点アレイからの発光について2色以上の多色発光検出する場合に共通のものである。 In the above, four-color fluorescence detection has been described assuming that it is applied to the fluorescence detection device of a capillary array DNA sequencer, but the problem is not limited to capillary or four-color fluorescence detection, and any emission point array can be used. This is common when detecting multicolor emission of two or more colors.
本発明による多色検出装置は,複数の発光点が配列した発光点アレイの各発光点からの発光をそれぞれ個別に平行光束とする複数の集光レンズが配列した集光レンズアレイと,その平行光束がそれぞれ並列に入射される,共通かつ少なくとも1個の分光素子と,分光素子によって分光された光束がそれぞれ並列に入射される,共通かつ少なくとも1個のセンサと,を有する。 The multicolor detection device according to the present invention is a condensing lens array in which a plurality of condensing lenses are arranged in which light emission from each emission point of the emission point array in which a plurality of emission points are arranged is individually converted into a parallel luminous flux, and a parallel thereof. It has at least one common and at least one spectroscopic element in which light fluxes are incident in parallel, and common and at least one sensor in which light fluxes dispersed by the spectroscopic elements are incident in parallel.
分光素子としては,回折格子,プリズム,あるいはダイクロイックミラーを用いることができる。 As the spectroscopic element, a diffraction grating, a prism, or a dichroic mirror can be used.
また,本発明による多色検出装置は,複数の発光点が配列した発光点アレイの各発光点からの発光をそれぞれ個別に平行光束とする複数の集光レンズが配列した集光レンズアレイと,その平行光束がそれぞれ並列に入射される,共通かつ少なくとも1個のカラーセンサと,を有する。 Further, the multicolor detection device according to the present invention includes a condenser lens array in which a plurality of condenser lenses in which light emission from each emission point of the emission point array in which a plurality of emission points are arranged is individually converted into a parallel luminous flux. It has a common and at least one color sensor, in which the parallel luminous fluxes are incident in parallel.
また,本発明による多色検出装置は,複数の発光点が配列した発光点アレイの各発光点からの発光をそれぞれ個別に平行光束とする複数の集光レンズが配列した集光レンズアレイと,その平行光束がそれぞれ並列に入射される,共通かつ少なくとも1個のセンサとを有し,発光点の有効径の平均をd,集光レンズの焦点距離の平均をf,集光レンズの有効径の平均をD,集光レンズとセンサの光学的な距離の平均をgとするとき,
f≦−0.20*(d/D)*g+2.8*D
を満足する。
Further, the multicolor detection device according to the present invention includes a condensing lens array in which a plurality of condensing lenses are arranged in which light emitted from each emission point of the emission point array in which a plurality of emission points are arranged is individually converted into a parallel light beam. It has at least one common and at least one sensor in which the parallel light beams are incident in parallel, the average of the effective diameters of the light emitting points is d, the average of the focal lengths of the condenser lens is f, and the effective diameter of the condenser lens. Let D be the average of, and g be the average of the optical distance between the condenser lens and the sensor.
f ≦ -0.20 * (d / D) * g + 2.8 * D
To be satisfied.
また,本発明による多色検出装置は,複数の発光点が配列した発光点アレイの各発光点からの発光をそれぞれ個別に平行光束とする集光レンズが配列した集光レンズアレイと,その平行光束がそれぞれ並列に入射される,共通かつ少なくとも1個のセンサとを有し,発光点の有効径の平均をd,発光点の配列間隔の平均をp,集光レンズと前記センサの光学的な距離の平均をgとするとき,
f≧0.95*(d/p)*g
を満足する。
Further, the multicolor detection device according to the present invention is a condensing lens array in which light condensing lenses are arranged in which light emission from each light emission point of the light emission point array in which a plurality of light emission points are arranged is individually converted into a parallel light beam, and a parallel thereof. It has at least one common and at least one sensor in which light beams are incident in parallel, the average of the effective diameters of the light emitting points is d, the average of the arrangement intervals of the light emitting points is p, and the optical condenser lens and the sensor are optically. When the average of the distances is g,
f ≧ 0.95 * (d / p) * g
To be satisfied.
また,本発明による多色検出装置は,複数の発光点が配列した発光点アレイの各発光点からの発光をそれぞれ個別に平行光束とする集光レンズが配列した集光レンズアレイと,その平行光束を,それぞれ個別に集光束とする複数の結像レンズが配列した結像レンズアレイと,集光束がそれぞれ並列に入射される,共通かつ少なくとも1個のセンサとを有し,発光点の有効径の平均をd,集光レンズの焦点距離の平均をf,集光レンズの有効径の平均をD,集光レンズと当該集光レンズに対応する結像レンズとの間の光学的な距離の平均をgとするとき,
f≦−0.20*(d/D)*g+2.8*D
を満足する。
Further, the multicolor detection device according to the present invention is a condensing lens array in which light emitting points from each light emitting point of the light emitting point array in which a plurality of light emitting points are arranged are individually arranged as parallel light sources, and a condensing lens array thereof. It has an imaging lens array in which a plurality of imaging lenses are individually collected and a common and at least one sensor in which the focused light is incident in parallel, and is effective as a light emitting point. The average diameter is d, the average focal distance of the condenser lens is f, the average effective diameter of the condenser lens is D, and the optical distance between the condenser lens and the imaging lens corresponding to the condenser lens. When the average of is g
f ≦ -0.20 * (d / D) * g + 2.8 * D
To be satisfied.
また,本発明による多色検出装置は,複数の発光点が配列した発光点アレイの各発光点からの発光をそれぞれ個別に平行光束とする集光レンズが配列した集光レンズアレイと,その平行光束を,それぞれ個別に集光束とする複数の結像レンズが配列した結像レンズアレイと,集光束がそれぞれ並列に入射される,共通かつ少なくとも1個のセンサとを有し,発光点の有効径の平均をd,発光点の配列間隔の平均をp,集光レンズの焦点距離の平均をf,集光レンズと当該集光レンズに対応する結像レンズとの間の光学的な距離の平均をgとするとき,
f≧0.95*(d/p)*g
を満足する。
Further, the multicolor detection device according to the present invention is a condensing lens array in which light condensing lenses are arranged in which light emission from each light emission point of the light emission point array in which a plurality of light emission points are arranged is individually converted into a parallel light beam, and a parallel lens array thereof. It has an imaging lens array in which a plurality of imaging lenses are individually collected and a common and at least one sensor in which the focused light is incident in parallel, and is effective as a light emitting point. The average of the diameters is d, the average of the arrangement intervals of the light emitting points is p, the average of the focal distances of the condenser lenses is f, and the optical distance between the condenser lens and the imaging lens corresponding to the condenser lens. When the average is g,
f ≧ 0.95 * (d / p) * g
To be satisfied.
また,本発明によるデバイスは,複数のチャンネルの少なくとも一部が同一平面上に配列したチャンネルアレイと,チャンネルアレイの各チャンネルからの発光をそれぞれ個別に平行光束とする集光レンズが配列した集光レンズアレイとが一体化されたものである。 Further, in the device according to the present invention, a channel array in which at least a part of a plurality of channels is arranged on the same plane and a condenser lens in which light emission from each channel of the channel array is individually made into a parallel light beam are arranged. It is integrated with the lens array.
複数のチャンネルは複数のキャピラリの内部であっても良いし,マイクロチップの内部に形成されていても良い。 The plurality of channels may be inside a plurality of capillaries or may be formed inside a microchip.
本発明によると,発光点アレイからの発光の多色検出を行う装置を小型化することができ,これを用いた様々な装置の全体サイズを小型化することができる。したがって,装置を置くスペースを削減でき,装置の持ち運びも可能となり,装置の使い勝手が向上する。また,装置を構成する部品点数が削減され,部品そのものを小型化することによって,製造コストを低減することが可能である。 According to the present invention, it is possible to reduce the size of a device that detects multicolor of light emitted from a light emitting point array, and it is possible to reduce the overall size of various devices using the device. Therefore, the space for placing the device can be reduced, the device can be carried around, and the usability of the device is improved. In addition, the number of parts that make up the device is reduced, and the manufacturing cost can be reduced by downsizing the parts themselves.
上記した以外の、課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。 Issues, configurations and effects other than those described above will be clarified by the description of the following embodiments.
本発明は,発光点アレイからの4色の発光を同時に識別しながら検出する装置を小型化及び低コスト化し,各発光の感度ばらつきを低減する手段を提供する。最初に,本発明を概観する。 The present invention provides a means for reducing the size and cost of an apparatus for simultaneously identifying and detecting four colors of light emitted from a light emitting point array and reducing variations in the sensitivity of each light emission. First, an overview of the present invention will be given.
まず,発光点アレイからの各発光を個別集光レンズアレイによって平行光束化する。本明細書では,平行光束という表現を多用するが,構成する光要素が厳密な意味で互いに平行な光束を必ずしも意味するのではなく,発光点から全方位に出射した発光の光要素の互いになす角度が,集光レンズによって少なくとも減少し,ゼロに近づいている光束を意味する。ここで,発光点の間隔の平均をp,発光点の数及び個別集光レンズの数をnとすると,発光点アレイの全幅はW=p*(n−1)である。各集光レンズの焦点距離の平均をf,有効径の平均をD1とすると,D1<Wである。また,D1<pとすることによって,各集光レンズが直線上に並んだ集光レンズアレイとすることができる。p=0.36mm,n=24,W=8.28mmに対して,例えば,f=1mm,D1=0.3mmとする。 First, each emission from the emission point array is converted into a parallel luminous flux by an individual condenser lens array. In the present specification, the expression parallel luminous flux is often used, but the constituent optical elements do not necessarily mean the luminous flux parallel to each other in a strict sense, but the optical elements of the emission emitted from the emission point in all directions form each other. It means a luminous flux whose angle is at least reduced by the condenser lens and is approaching zero. Here, assuming that the average of the intervals between the light emitting points is p, the number of light emitting points and the number of individual condenser lenses are n, the total width of the light emitting point array is W = p * (n-1). Assuming that the average focal length of each condenser lens is f and the average effective diameter is D1, then D1 <W. Further, by setting D1 <p, it is possible to form a condenser lens array in which the condenser lenses are arranged in a straight line. For example, f = 1 mm and D1 = 0.3 mm for p = 0.36 mm, n = 24, and W = 8.28 mm.
次に,各平行光束を分光素子,例えば1個の共通透過型回折格子を透過させて波長分散させる。ここで,透過型回折格子の発光点アレイの配列方向の有効径をDG1,透過型回折格子の各キャピラリの長軸方向の有効径をDG2とすると,検出効率を低下させないため,(W+D1)≦DG1,D1≦DG2とする。例えば,DG1=10mm,DG2=1mmとすれば良い。このとき,24個の互いに分離した平行光束は,1個の共通透過型回折格子の異なる箇所に入射され,それぞれが並列に波長分散を受ける。各平行光束の径はD1=0.3mmであり,これは回折格子の格子定数と比較すると十分に大きいため,各平行光束はいずれも良好な波長分散を受けることができる。また,波長分散の方向は各キャピラリの長軸方向,すなわち,発光点アレイの配列方向及び各集光レンズの光軸の両者に垂直な方向とする。 Next, each parallel luminous flux is transmitted through a spectroscopic element, for example, one common transmission type diffraction grating to disperse the wavelength. Here, if the effective diameter in the arrangement direction of the emission point array of the transmission type diffraction grating is DG1 and the effective diameter in the major axis direction of each capillary of the transmission type diffraction grating is DG2, the detection efficiency is not lowered, so (W + D1) ≦ Let DG1 and D1 ≦ DG2. For example, DG1 = 10 mm and DG2 = 1 mm may be set. At this time, the 24 parallel light fluxes separated from each other are incident on different points of one common transmission type diffraction grating, and each receives wavelength dispersion in parallel. The diameter of each parallel light flux is D1 = 0.3 mm, which is sufficiently large compared to the lattice constant of the diffraction grating, so that each parallel light flux can receive good wavelength dispersion. The direction of wavelength dispersion is the long axis direction of each capillary, that is, the direction perpendicular to both the arrangement direction of the emission point array and the optical axis of each condenser lens.
続いて,波長分散を受けた各平行光束を,n個の個別結像レンズで,1個の共通2次元センサ上に結像させる。各結像レンズの有効径の平均D2は,検出効率を低下させないため,D1≦D2である必要がある。例えば,D2=0.3mmである。以上により,発光点アレイからの各発光の4色の蛍光検出を一括して行うことができる。 Subsequently, each parallel luminous flux that has undergone wavelength dispersion is imaged on one common two-dimensional sensor with n individual imaging lenses. The average D2 of the effective diameters of each imaging lens needs to be D1 ≦ D2 so as not to reduce the detection efficiency. For example, D2 = 0.3 mm. As described above, it is possible to collectively detect the fluorescence of four colors of each emission from the emission point array.
以上の蛍光検出装置によれば,装置サイズが特許文献1の場合と比較して小型化されるだけでなく,回折格子及びセンサを複数の発光点について共通化することによって装置構成が簡略化され,実装が容易化される。蛍光検出装置の全体サイズは,直径10mm,高さ20mmの円柱よりも小さくすることが可能である。また,回折格子とセンサを共通化しているにも関わらず,各発光点について蛍光検出光学系及び検出効率は等価であり,感度ばらつきを低減することが可能である。以上は,透過型回折格子を波長分散プリズムに置き換えても,同様に課題を解決することができる。
According to the above fluorescence detection device, not only the device size is reduced as compared with the case of
本発明の別の態様を説明する。まず,発光点アレイからの各発光を個別集光レンズアレイによって平行光束化する。ここで,発光点の間隔の平均をp,発光点の数及び集光レンズの数をnとすると,発光点アレイの全幅はW=p*(n−1)である。各集光レンズの焦点距離の平均をf,有効径の平均をD1とすると,D1<Wである。また,D1<pとすることによって,各集光レンズが直線上に並んだ集光レンズアレイとすることができる。p=0.36mm,n=24,W=8.28mmに対して,例えば,f=1mm,D1=0.3mmとする。 Another aspect of the present invention will be described. First, each emission from the emission point array is converted into a parallel luminous flux by an individual condenser lens array. Here, assuming that the average of the intervals between the light emitting points is p and the number of light emitting points and the number of condensing lenses are n, the total width of the light emitting point array is W = p * (n-1). Assuming that the average focal length of each condenser lens is f and the average effective diameter is D1, then D1 <W. Further, by setting D1 <p, it is possible to form a condenser lens array in which the condenser lenses are arranged in a straight line. For example, f = 1 mm and D1 = 0.3 mm for p = 0.36 mm, n = 24, and W = 8.28 mm.
次に,各平行光束を,1組の3種類の共通ダイクロイックミラー及び1個の全反射ミラーを各キャピラリの長軸方向,すなわち発光点アレイの配列方向及び各集光レンズの光軸の両者に直交する方向に平行に配列することにより,n組の4色の4分割した平行光束とし,これらの平行光束をキャピラリアレイの配列平面に垂直な方向,すなわち各集光レンズの光軸に平行な方向に進行させる。各ダイクロイックミラー及び全反射ミラーの発光点アレイの配列方向の有効径の平均をDM1,これと直交方向の有効径の平均をDM2とすると,検出効率を低下させないため,(W+D1)≦DM1,√2×D1≦DM2とする。例えば,DM1=10mm,DM2=1mmとすれば良い。このとき,24個の互いに分離した平行光束は,各種類について1個のダイクロイックミラーの異なる箇所に入射され,それぞれが透過光と反射光に2分割される。1個のダイクロイックミラーはどの箇所でも均一な性能が得られるため,各平行光束はいずれも良好な分光を受けることができる。なお,全反射ミラーはダイクロイックミラーで置き換えても良い。 Next, each parallel beam is applied to a set of three types of common dichroic mirrors and one total reflection mirror in the long axis direction of each capillary, that is, in both the arrangement direction of the emission point array and the optical axis of each condenser lens. By arranging them in parallel in the orthogonal directions, n sets of four colors are divided into four parallel light beams, and these parallel light rays are arranged in the direction perpendicular to the array plane of the capillary array, that is, parallel to the optical axis of each condenser lens. Move in the direction. If the average effective diameter in the arrangement direction of the emission point array of each dichroic mirror and total reflection mirror is DM1 and the average effective diameter in the orthogonal direction is DM2, the detection efficiency is not reduced, so (W + D1) ≤ DM1, √ 2 × D1 ≦ DM2. For example, DM1 = 10 mm and DM2 = 1 mm may be set. At this time, the 24 parallel light fluxes separated from each other are incident on different parts of one dichroic mirror for each type, and each is divided into transmitted light and reflected light. Since one dichroic mirror can obtain uniform performance at any location, each parallel luminous flux can receive good spectroscopy. The total reflection mirror may be replaced with a dichroic mirror.
続いて,n組の4色の4分割した平行光束を,結像させずに,1個の共通2次元センサ上に入射させる。回折格子やプリズムによる波長分散によって分光する場合,上述の通り,波長分散された平行光束を結像レンズを用いて結像しなければ所望の分光精度が得られない。これに対して,ダイクロイックミラーによって分光する場合は必ずしもその必要がないため,結像レンズを省くことが可能である。以上により,発光点アレイからの各発光の4色の蛍光検出を一括して行うことができる。 Subsequently, n sets of four-color, four-divided parallel light fluxes are incident on one common two-dimensional sensor without forming an image. In the case of spectroscopy by wavelength dispersion using a diffraction grating or prism, as described above, the desired spectral accuracy cannot be obtained unless the wavelength-dispersed parallel light beams are imaged using an imaging lens. On the other hand, it is not always necessary to perform spectroscopy with a dichroic mirror, so it is possible to omit the imaging lens. As described above, it is possible to collectively detect the fluorescence of four colors of each emission from the emission point array.
以上の蛍光検出装置によれば,装置サイズが特許文献1の場合と比較して小型化されるだけでなく,ダイクロイックミラー及びセンサを複数の発光点について共通化することによって装置構成が簡略化され,実装が容易化される。蛍光検出装置の全体サイズは,直径10mm,高さ10mmの円柱よりも小さくすることが可能である。また,回折格子とセンサを共通化しているにも関わらず,各発光点について蛍光検出系及び検出効率は等価であり,感度ばらつきを低減することが可能である。
According to the above fluorescence detection device, not only the device size is reduced as compared with the case of
本発明の更に別の態様を説明する。まず,発光点アレイからの各発光を個別集光レンズアレイによって平行光束化する。ここで,発光点の間隔の平均をp,発光点の数及び集光レンズの数をnとすると,発光点アレイの全幅はW=p*(n−1)である。各集光レンズの焦点距離の平均をf,有効径の平均をD1とすると,D1<Wである。また,D1<pとすることによって,各集光レンズが直線上に並んだ集光レンズアレイとすることができる。p=0.36mm,n=24,W=8.28mmに対して,例えば,f=1mm,D1=0.35mmとする。 Yet another aspect of the invention will be described. First, each emission from the emission point array is converted into a parallel luminous flux by an individual condenser lens array. Here, assuming that the average of the intervals between the light emitting points is p and the number of light emitting points and the number of condensing lenses are n, the total width of the light emitting point array is W = p * (n-1). Assuming that the average focal length of each condenser lens is f and the average effective diameter is D1, then D1 <W. Further, by setting D1 <p, it is possible to form a condenser lens array in which the condenser lenses are arranged in a straight line. For example, f = 1 mm and D1 = 0.35 mm for p = 0.36 mm, n = 24, and W = 8.28 mm.
続いて,各平行光束を,結像させずに,1個の単板の共通2次元カラーセンサに入射させる。カラーセンサは,4色をそれぞれ識別する少なくとも4種類の画素が2次元のセンサ面上にそれぞれ多数配列している,あるいは,多数配列する1種類の各画素で2次元のセンサ面に垂直方向(入射光の進行方向)で4色を識別するものである。ここで,各画素の径の平均をSとすると,S<D1である必要がある。各平行光束の径の平均はD1=0.35mmである。これに対して,4色を識別する4種類の画素が配列するセンサを用い,S=0.05mmとすると,各平行光束はカラーセンサ上の約40画素で検出される。このとき,1色を識別する1種類の画素あたり約10画素で検出されるため,これらを積算することによって色毎のばらつきを低減し,高精度な分光が可能になる。 Subsequently, each parallel light beam is incident on a common two-dimensional color sensor of one single plate without forming an image. In a color sensor, at least four types of pixels that identify each of the four colors are arranged in large numbers on a two-dimensional sensor surface, or one type of pixel in which a large number of pixels are arranged in a direction perpendicular to the two-dimensional sensor surface ( The four colors are identified by the traveling direction of the incident light). Here, assuming that the average diameter of each pixel is S, it is necessary that S <D1. The average diameter of each parallel luminous flux is D1 = 0.35 mm. On the other hand, if a sensor in which four types of pixels that identify four colors are arranged is used and S = 0.05 mm, each parallel light beam is detected by about 40 pixels on the color sensor. At this time, since it is detected with about 10 pixels per one type of pixel that identifies one color, it is possible to reduce the variation for each color and enable highly accurate spectroscopy by integrating these.
これに対して,各平行光束を個別集光レンズアレイで結像し,例えば,結像スポットの径が0.05mmになったとすると,カラーセンサ上の約1画素でのみ検出されることになり,良好な分光が不可能になる。つまり,この態様では,結像レンズをあえて用いないことが,装置の小型化に寄与するだけでなく,分光精度を向上することにも寄与する。以上により,発光点アレイからの各発光の4色の蛍光検出を一括して行うことができる。 On the other hand, if each parallel light beam is imaged by an individual condensing lens array and the diameter of the imaging spot is, for example, 0.05 mm, it will be detected only by about one pixel on the color sensor. , Good spectroscopy becomes impossible. That is, in this aspect, not using the imaging lens intentionally contributes not only to the miniaturization of the apparatus but also to the improvement of the spectral accuracy. As described above, it is possible to collectively detect the fluorescence of four colors of each emission from the emission point array.
以上の蛍光検出装置によれば,装置サイズが特許文献1の場合と比較して小型化されるだけでなく,装置構成が極めて簡単である。蛍光検出装置の全体サイズを,直径10mm,高さ5mmの円柱よりも小さくすることが可能である。また,各発光点について蛍光検出系及び検出効率は等価であり,感度ばらつきを低減することが可能である。
According to the above fluorescence detection device, not only the device size is reduced as compared with the case of
以上では,キャピラリアレイDNAシーケンサの蛍光検出装置に適用することを想定して4色蛍光検出について述べたが,課題の解決手段はキャピラリあるいは4色蛍光検出に限定されるものではなく,任意の発光点アレイからの発光について2色以上の多色発光検出に共通のものである。 In the above, four-color fluorescence detection has been described assuming that it is applied to a fluorescence detection device of a capillary array DNA sequencer, but the means for solving the problem is not limited to capillary or four-color fluorescence detection, and any emission is possible. Light emission from a point array is common to multicolor emission detection of two or more colors.
以下,図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, a detailed description will be given with reference to the drawings.
本発明が対象とする発光点アレイの各発光点のサイズは小さいとは言え,有限の大きさを有しており,蛍光検出装置を小型化する際には無視できない。図1は,発光点アレイからの各発光を個別集光レンズでそれぞれ平行光束化し,センサ領域に入射させて検出する蛍光検出装置の構成例を示す模式図である。図1は,平均の有効径dの発光点15からの発光を,平均の焦点距離f,平均の有効径Dの個別集光レンズ18で平行光束化し,個別集光レンズ18から平均の距離gに位置する,平均の有効径Dのセンサ領域28に入射させて検出する構成を示している。センサ領域28の平均の有効径Dは,センサの全体サイズを必ずしも示すものではなく,より大きなサイズのセンサの一部が上記発光点15の検出のために割り当てられた領域と考えることもできる。また,図1には示さないが,各平行光束を個別結像レンズによって再集光,又は結像してからセンサ領域に入射させて検出する蛍光検出装置の場合には,以降の議論では,センサ領域を個別結像レンズに置き換えれば良く,個別集光レンズと個別結像レンズの平均の距離をgとすれば良い。
Although the size of each light emitting point of the light emitting point array targeted by the present invention is small, it has a finite size and cannot be ignored when the fluorescence detection device is miniaturized. FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration example of a fluorescence detection device in which each light emitted from a light emitting point array is converted into a parallel luminous flux by an individual condensing lens and incident on a sensor region for detection. In FIG. 1, light emitted from a
最初に,図1の左側の発光点15に着目する。発光点15の中心からの発光29が集光レンズ18によって平行光束30となり,センサ領域28上でスポット31を形成し,センサ領域28とスポット31は一致する。このとき検出される光量は,D一定とすると,fが小さいほど受光角θ1とともに大きくなる。より正確には,F=f/Dのとき,検出光量は1/F2に比例して大きくなる。一方,発光点15の左端からの発光32の平行光束33のスポット34はセンサ領域28から右側にずれる。つまり,スポット31はすべて検出されるが,スポット34は,スポット31と重なった比率でのみ検出される。この重なりが大きいほど発光点の全域について検出される光量が大きくなる。そのためには,平行光束30の光軸と平行光束33の光軸のなす角θ2が小さければ良く,さらにそのためには,d一定とすると,fが大きいほど良い。以上のように,発光点15の検出光量を大きくするためには,fを小さくした方が良い面と,fを大きくした方が良い面のトレードオフの関係があるが,どのようなfが最も良いかの検討はこれまでになされていない。そこで,次に,発光点15の検出光量を大きくするためのf及びgの条件を解明する。
First, pay attention to the
検出光量を評価するため,特許文献1の図3に示された蛍光検出装置を基準とする。この蛍光検出装置の典型例では,共通集光レンズの焦点距離はf=50mm,有効径はD1≧25mmである。このレンズの明るさはF=f/D1≦2.0である。そこで,F0=2.0の集光レンズを用いた場合に,焦点に位置する無限小サイズの発光点からの発光が,このレンズによって平行光束化され,その光量がすべてロスなくセンサで検出されるとき,その検出光量を基準(100%)とする。以降では,任意の無限小サイズの発光点についての検出光量を上記基準に対する相対検出光量で評価する。また,平均の有効径dの有限サイズの発光点は,多数の無限小サイズの発光点で構成されていると考える。本明細書では,「有限サイズの発光点」は単に「発光点」と呼び,「無限小サイズの発光点」はその都度「無限小サイズの発光点」と呼ぶ。発光点の相対検出光量は,それを構成する多数の無限小サイズの発光点の相対検出光量の平均とする。例えば,上記の例で,集光レンズをF=1.4で置き換えると,集光効率が(F0/F)2=2.0倍になるので,上記無限小サイズの発光点の相対検出光量は200%となる。ただし,発光点から全方位に発光される全光量は一定とし,発光点の内部の発光密度は空間的に均一であると仮定する。また,本蛍光検出装置の典型例では,発光点アレイの発光点の間隔がp=0.36mm,発光点の数がn=24,発光点アレイの全幅がW=p*(n−1)=8.28mmであり,発光点アレイの中央に位置する発光点はレンズの焦点近傍に位置するため相対検出光量がほぼ100%になるが,発光点アレイの端に位置する発光点はレンズの焦点から離れるため相対検出光量が減少し,約50%となる。そこで,本発明では,各発光点の相対検出光量が50%以上になるようにして,各発光点の多色検出感度が従来と同等以上になるようにすることを目標とする。
In order to evaluate the amount of detected light, the fluorescence detection device shown in FIG. 3 of
図2は,図1に示した構成において,fをパラメータとして,gと相対検出光量の関係を計算した結果の図である。ここで,発光点15の平均の有効径はd=0.05mmとした。また,個別集光レンズ18の平均の有効径をD=0.5mmとした。レンズの明るさF=f/0.05を考慮して相対検出光量を計算した。有効径d=0.05mmの発光点15を,0.1μm間隔の約500個の無限小サイズの発光点で構成し,各無限小サイズの発光点について,図1のスポット31とスポット34の重なり面積比と同じ考え方によって相対検出光量を計算し,それらの平均により発光点15の相対検出光量を求めた。その結果,fは小さいほど,またgは小さいほど相対検出光量が大きくなることを初めて見出した。これは,fを小さく(Fを小さく,θ1を大きく)することによって発光点15の中心に位置する無限小サイズの発光点の相対検出光量が増大する効果が,fを大きく(θ2を小さく)することによって上記の重なり面積比を増大する効果よりも大きいことを示している。また,任意のfに対して,gを小さくすることによって上記の重なり面積比を増大する効果が大きいことを示している。
FIG. 2 is a diagram of the results of calculating the relationship between g and the relative detection light amount with f as a parameter in the configuration shown in FIG. Here, the average effective diameter of the
図3は,図2の計算結果を踏まえて,相対検出光量が50%以上の条件を満たすgとfの関係を,横軸g,縦軸fのグラフで示したものである。ここでは,Dをパラメータとしている。Dがいずれの値の場合も,負の傾きを持つ直線より下側の領域のgとfであれば相対検出光量が50%以上となることが分かった。Dが大きくなるほど,境界となる直線の縦軸切片が大きくなり,傾きが小さくなるため,条件を満たす領域が大きくなった。詳細に解析した結果,条件を満たす領域は,一般に,
f≦−0.20*(d/D)*g+2.8*D (1)
で表せることが分かった。図2の結果と同様に,fとgはそれぞれ小さいほど,つまり図3の原点に近いほど相対検出光量が大きくなる。しかし,実際には様々な物理的な制約があるため,図3に示す領域の中から,適当なfとgを設定するのが良い。
FIG. 3 shows the relationship between g and f satisfying the condition that the relative detection light amount is 50% or more based on the calculation result of FIG. 2 as a graph on the horizontal axis g and the vertical axis f. Here, D is used as a parameter. It was found that, regardless of the value of D, the relative detection light amount is 50% or more if g and f in the region below the straight line having a negative slope. As D becomes larger, the vertical intercept of the straight line as the boundary becomes larger and the slope becomes smaller, so that the region satisfying the condition becomes larger. As a result of detailed analysis, the areas that satisfy the conditions are generally,
f ≦ −0.20 * (d / D) * g + 2.8 * D (1)
It turned out that it can be expressed by. Similar to the result of FIG. 2, the smaller f and g are, that is, the closer to the origin of FIG. 3, the larger the relative detection light amount. However, since there are actually various physical restrictions, it is better to set appropriate f and g from the region shown in FIG.
一方,図1において,左側の発光点15と同様に,右側の発光点15の中心からの発光35は,集光レンズ18によって平行光束36とされ,そのスポット37はセンサ領域28と一致してロスなく検出される。しかしながら,左側の発光点15の左端からの発光32の平行光束33のスポット34はセンサ領域から右側にずれ,右側の発光点のセンサ領域に重なる場合があり,右側の発光点の検出におけるクロストークとなる。クロストークは,スポット37とスポット34の重なる比率で示される。ここで,d,f,D,gの各パラメータは左側の発光点と右側の発光点で等しく,両発光点の平均の間隔はpである。また,図1に示さないが,右側の発光点のさらに右側に隣接する発光点の右端からの発光の平行光束のスポットは,同様に,スポット37と重なり,右側の発光点15の検出におけるクロストークとなる。各発光点からの発光を良好に検出するためには,クロストークは小さいほど良く,少なくとも信号強度より小さくなければならない。そこで,本発明では,注目する発光点の両隣の発光点からのクロストークは同等に発生するため,それぞれのクロストーク信号強度比を25%以下に抑えるようにして,各発光点の低クロストーク検出を実現することを目標とする。
On the other hand, in FIG. 1, similarly to the
図4は,クロストーク信号強度比が25%以下の条件を満たすgとfの関係を,横軸g,縦軸fのグラフで示したものである。ここで,発光点の平均の有効径はd=0.05mmとした。ここでは,pをパラメータとし,D=pとした。pがいずれの値の場合も,原点を通る正の傾きを持つ直線より上側の領域のgとfであればクロストーク信号強度比が25%以下となることが分かった。パラメータpが大きくなるほど,傾きが小さくなるため,条件を満たす領域が大きくなった。詳細に解析した結果,条件を満たす領域は,一般に,
f≧0.95*(d/p)*g (2)
で表せることが分かった。図3の相対検出光量の場合と異なり,fは大きいほど,gは小さいほどクロストークを低く抑えることができる。つまり,fについては,相対検出光量を大きくする場合と,クロストークを小さくする場合でトレードオフの関係になることが分かった。
FIG. 4 shows the relationship between g and f satisfying the condition that the crosstalk signal intensity ratio is 25% or less as a graph on the horizontal axis g and the vertical axis f. Here, the average effective diameter of the light emitting points was set to d = 0.05 mm. Here, p is a parameter and D = p. It was found that the crosstalk signal intensity ratio was 25% or less if g and f in the region above the straight line having a positive slope passing through the origin regardless of the value of p. The larger the parameter p, the smaller the slope, and the larger the area that satisfies the condition. As a result of detailed analysis, the areas that satisfy the conditions are generally,
f ≧ 0.95 * (d / p) * g (2)
It turned out that it can be expressed by. Unlike the case of the relative detection light amount in FIG. 3, the larger f and the smaller g, the lower the crosstalk can be suppressed. In other words, it was found that there is a trade-off relationship between f when the relative detection light amount is increased and when the crosstalk is decreased.
図5(a)は,相対検出光量が50%以上,かつクロストーク信号強度比が25%以下の条件を満たすgとfの関係を,横軸g,縦軸fのグラフで示したものである。図5(b)は図5(a)の拡大図である。ここで,発光点の平均の有効径はd=0.05mmであり,D=pとした。この条件を満たす領域は,言うまでもなく,図3の領域と図4の領域が重なった領域である。パラメータD及びpが大きくなるほど,条件を満たす領域が大きくなった。この条件を満たす領域は,一般に,式(1)かつ式(2)で表すことができる。 FIG. 5A shows the relationship between g and f satisfying the conditions that the relative detection light amount is 50% or more and the crosstalk signal intensity ratio is 25% or less as a graph on the horizontal axis g and the vertical axis f. be. 5 (b) is an enlarged view of FIG. 5 (a). Here, the average effective diameter of the light emitting points is d = 0.05 mm, and D = p. Needless to say, the region satisfying this condition is a region where the region of FIG. 3 and the region of FIG. 4 overlap. The larger the parameters D and p, the larger the region satisfying the condition. The region satisfying this condition can be generally expressed by Eq. (1) and Eq. (2).
以下,本発明の実施例を説明する。
[実施例1]
図6は,キャピラリアレイDNAシーケンサの装置構成例を示す模式図である。図6を用いて分析手順を説明する。まず,複数のキャピラリ1(図6では4本のキャピラリを示す)の試料注入端2を陰極側緩衝液4に浸し,試料溶出端3をポリマブロック9を介して陽極側緩衝液5に浸す。ポンプブロック9のバルブ14を閉じ,ポンプブロック9に接続されたシリンジ8により内部のポリマ溶液に加圧し,ポリマ溶液を各キャピラリ1の内部に,試料溶出端3から試料注入端2に向かって充填する。次に,バルブ14を開け,各試料注入端2から異なる試料を注入した後,陰極6と陽極7の間に電源13により高電圧を印加することにより,キャピラリ電気泳動を開始する。4色の蛍光体で標識されたDNAは試料注入端2から試料溶出端3に向かって電気泳動される。各キャピラリ1の,試料注入端2より一定距離電気泳動された位置(レーザ照射位置12)は,被覆が除去され,同一平面上に配列されており,レーザ光源10より発振されたレーザビーム11が,集光されてから,配列平面の側方より,配列平面に沿って導入され,各キャピラリ1のレーザ照射位置12が一括照射される。4色の蛍光体で標識されたDNAがレーザ照射位置12を通過する際に励起され,蛍光を発光する。各発光蛍光は,配列平面に対して垂直方向(図6の紙面に垂直方向)から蛍光検出装置によって検出される。なお,キャピラリの内部はチャンネルを構成している。従って,キャピラリアレイはチャンネルアレイの一種である。
Hereinafter, examples of the present invention will be described.
[Example 1]
FIG. 6 is a schematic diagram showing an example of a device configuration of a capillary array DNA sequencer. The analysis procedure will be described with reference to FIG. First, the
図7は,発光点アレイからの発光を,個別集光レンズ,及び共通波長分散素子により多色検出する装置構成例を示す断面模式図である。図7(a)はレーザ照射位置における各キャピラリの長軸に垂直な断面を示し,図7(b)は任意の一つのキャピラリの長軸に平行な断面を示す。また,図7(c)は2次元センサで検出される画像を示す。 FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing an example of a device configuration for detecting light emitted from a light emitting point array by using an individual condenser lens and a common wavelength dispersion element for multiple colors. FIG. 7 (a) shows a cross section perpendicular to the long axis of each capillary at the laser irradiation position, and FIG. 7 (b) shows a cross section parallel to the long axis of any one capillary. Further, FIG. 7C shows an image detected by the two-dimensional sensor.
図7に示すように,外径0.36mm,内径0.05mmの4本のキャピラリ1が,レーザ照射位置において,間隔p=1mmで同一平面上に配列し,径0.05mmに絞ったレーザビーム11を配列平面側方より照射することで,数n=4個,有効径d=0.05mmの発光点15が間隔p=1mmで配列する発光点アレイを得る。4本のキャピラリ1はキャピラリアレイ,すなわちチャンネルアレイを構成する。発光点アレイの全幅はW=p*(n−1)=3mmである。焦点距離f=2mm,有効径D=1mmの4個の集光レンズ18が間隔p=1mmで配列する個別集光レンズアレイ17を,各集光レンズ18の焦点位置と各発光点15が一致するように,また各集光レンズ17の光軸が配列平面と垂直になるように設置し,各発光点15からの発光16をそれぞれ集光して平行光束19とする。次に,各平行光束19を,配列平面に平行に配置された共通ロングパスフィルタ20を並列に透過させてレーザ光をカットする。続いて,各平行光束19を,配列平面に平行に配置された,格子周波数1000本/mm(格子定数1μm)の1個の共通透過型回折格子21を透過させて,各キャピラリ1の長軸方向に波長分散させる。透過型回折格子21の発光点アレイ方向の有効径はDG1=5mm,各キャピラリの長軸方向の有効径はDG2=3mmとする。
As shown in FIG. 7, four
このとき,500nm,600nm,700nmの発光の1次回折光は,図7(b)に示すように,配列平面の法線に対して,それぞれ30.0°,36.9°,44.4°の方向に進行する。続いて,焦点距離f’=2mm,有効径D’=1mmの4個の結像レンズ23が間隔p’=1mmで配列する個別結像レンズアレイを,各結像レンズ23の光軸を配列平面の法線に対して36.9°傾け,600nmの1次回折光の光軸とそれぞれ一致させ,透過型回折格子21と近接させて設置し,波長分散された各平行光束22を等倍に結像する。500nm,600nm,700nmの平行光束22は結像レンズ23によって,それぞれ集光束24,25,26となる。ここで,600nmの平行光束22を基準として,各集光レンズ18と対応する各結像レンズ23の間隔(光路長)をg=5mmとする。このとき,f=2mmに対して,−0.20*(d/D)*g+2.8*D=2.75mmとなり,式(1)が満足され,相対検出光量は96%(>50%)となる。また,0.95*(d/p)*g=0.24mmとなり,式(2)が満足され,クロストーク信号強度比が0.4%(<25%)となる。さらに,結像レンズアレイから2mm離れた位置に1個の共通2次元CCDのセンサ面27を結像レンズアレイと平行に設置し,各発光16の波長分散像47を検出する。
At this time, the first-order refracted light of 500 nm, 600 nm, and 700 nm is 30.0 °, 36.9 °, and 44.4 ° with respect to the normal of the array plane, respectively, as shown in FIG. 7 (b). Proceed in the direction of. Subsequently, an individual imaging lens array in which four
図7(c)は2次元CCDで検出される画像51を示しており,各発光16の各波長分散像47が1mm間隔で配列している。各波長分散像47には,500nm,600nm,700nmの集光束24,25,26の結像スポット48,49,50が含まれる。波長分散の方向と発光点アレイの方向は垂直であるため,各発光の波長分散像は互いに重なることなく,独立に検出される。CCDの画素サイズを0.05mm角とすると,約20nm/画素の波長分解能が得られる。また,各発光点15は等倍で結像されるため,波長分散されない場合の結像サイズは0.05mm,すなわち画素サイズと等しい。つまり,結像サイズが波長分解能を低下させることはない。4色検出を行う場合,各ピーク波長は,500〜700nmの範囲で,間隔が20〜30nmである場合が多い。したがって,各ピーク波長はCCD上で間隔が1画素以上となり,識別可能である。
FIG. 7C shows an
各発光点に対応する波長分散像,すなわち波長分散スペクトルの時間変化を分析することによって,4色の蛍光強度の時間変化を求め,塩基種の順番,すなわち塩基配列を決定する。500〜700nmの波長分散像の長さは0.5mm程度であるため,2次元CCDのセンサ面のサイズは,発光点アレイ方向に5mm以上,波長分散方向に1mm以上あれば十分である。 By analyzing the wavelength dispersion image corresponding to each emission point, that is, the time change of the wavelength dispersion spectrum, the time change of the fluorescence intensity of the four colors is obtained, and the order of the base species, that is, the base sequence is determined. Since the length of the wavelength dispersion image of 500 to 700 nm is about 0.5 mm, it is sufficient that the size of the sensor surface of the two-dimensional CCD is 5 mm or more in the emission point array direction and 1 mm or more in the wavelength dispersion direction.
以上の蛍光検出装置の全体サイズは,キャピラリの長軸方向の幅が5mm,配列平面と垂直方向の幅が10mm,発光点アレイ方向の幅が5mmで規定される直方体の体積(250mm2)よりも小さい。すなわち,特許文献1の場合と比較して,蛍光検出装置の全体サイズを1/6,400倍に小型化できる。また,用いる光学素子はいずれも微細であるため,大幅な低コスト化が可能である。さらに,本蛍光検出装置による各発光の多色検出感度は高く,かつ均一であり,多色識別精度は高く,クロストークも低い。上記の実施例では発光点の数がn=4であったが,数に限りはなく,数が増えても同様の効果を発揮することができる。透過型の回折格子の代わりに分散プリズムを用いても良い。また,以上では,複数のキャピラリを用いた電気泳動によるDNAシーケンス,4色蛍光検出を対象としていたが,本発明の対象はキャピラリ,DNAシーケンス,4色蛍光検出のいずれにも限定されるものではなく,複数の発光点からの発光を多色検出する場合のすべてを対象としている。
The overall size of the above fluorescence detection device is based on the volume of a rectangular parallelepiped (250 mm 2 ) defined by the width of the capillary in the long axis direction of 5 mm, the width in the direction perpendicular to the array plane of 10 mm, and the width in the direction of the emission point array of 5 mm. Is also small. That is, the overall size of the fluorescence detection device can be reduced by 1/6,400 times as compared with the case of
以上では,図7(b)に示すように,波長分散に伴い,各平行光束の光路が配列平面の法線から傾いている。このため,2次元CCDを配列平面に対して傾ける必要があるため,場合により,他の要素と立体障害を生じることがある。図7(b)に示すように,CCDのセンサ面は,波長分散方向の幅が1mm以上あれば良く,これが立体障害を引き起こす可能性は低いが,CCDの回路基板や筐体(いずれも図7に示さず)が立体障害を引き起こす可能性がある。例えば,図7の場合で,CCDの全体の波長分散方向の幅が27mmを超えると(センサ面は波長分散方向の幅の中央に位置すると仮定),CCDとキャピラリの配列平面が衝突する。このような問題を回避するためには,キャピラリの配列平面とCCDのセンサ面を平行に配置するのが良い。 In the above, as shown in FIG. 7 (b), the optical path of each parallel luminous flux is tilted from the normal of the array plane due to the wavelength dispersion. For this reason, it is necessary to tilt the two-dimensional CCD with respect to the array plane, which may cause steric hindrance with other elements in some cases. As shown in FIG. 7B, the sensor surface of the CCD may have a width of 1 mm or more in the wavelength dispersion direction, which is unlikely to cause steric hindrance, but the circuit board and housing of the CCD (both are shown in the figure). (Not shown in 7) can cause steric hindrance. For example, in the case of FIG. 7, if the width of the entire CCD in the wavelength dispersion direction exceeds 27 mm (assuming that the sensor surface is located at the center of the width in the wavelength dispersion direction), the CCD and the array plane of the capillary collide with each other. In order to avoid such a problem, it is preferable to arrange the array plane of the capillary and the sensor plane of the CCD in parallel.
これを実現するため,図8のように低分散プリズム97を透過型回折格子21の後段に配置することによって,透過型回折格子21を透過した各平行光束22の進行方向と逆向きに屈折させ,低分散プリズム97を透過した各平行光束22の進行方向が配列平面と垂直になるようにする。低分散プリズム97の材質には,分散の小さいガラスを用いる。例えば,ガラス材がSK16(nd=1.62,νd=60.3),頂角50°の低分散プリズムの一辺を,配列平面と平行に,透過型回折格子21に近接させて配置する。このとき,波長600nmの平行光束は,低分散プリズム97に36.9°の入射角で一辺から入射し,他辺から50°の出射角で,つまり配列平面と垂直方向に出射する。各集光レンズ18と対応する各結像レンズ23の間の光路長はg=5mmのままとし,相対検出光量,クロストーク信号強度比は上記と同じとする。したがって,図7と同等の多色検出性能を有しながら,2次元CCDのセンサ面27とキャピラリ1の配列平面を平行にすることができ,2次元CCDと配列平面の立体障害を回避できる。このような構成は,蛍光検出装置を小型化すればするほど有効である。ここでは,透過型回折格子21の後段に低分散プリズム97を配置したが,他の位置に配置しても構わない。波長分散素子として回折格子の代わりに分散プリズムを用いる場合は,分散プリズムと低分散プリズムを組み合わせた直視プリズムとすれば良い。
In order to realize this, by arranging the
図9は,発光点アレイからの発光を,個別集光レンズ,共通凹面反射型回折格子,及び集光レンズの光軸に垂直に配置されたセンサにより多色検出する装置構成例を示す模式図である。図9(a)はレーザ照射位置における各キャピラリの長軸に垂直な断面を示し,図9(b)は任意の一つのキャピラリの長軸に平行な断面を示す。 FIG. 9 is a schematic diagram showing an example of a device configuration in which light emitted from a light emitting point array is detected in multiple colors by an individual condenser lens, a common concave reflection diffraction grating, and a sensor arranged perpendicular to the optical axis of the condenser lens. Is. FIG. 9A shows a cross section perpendicular to the long axis of each capillary at the laser irradiation position, and FIG. 9B shows a cross section parallel to the long axis of any one capillary.
図9に示すように,共通透過型回折格子の代わりに共通凹面反射型回折格子38を用いれば,回折格子が結像レンズの役割を兼ねるため,個別結像レンズアレイを省くことができ,蛍光検出装置の一層の小型化が可能である。ここでも,2次元センサのセンサ面27とキャピラリの配列平面を平行になるように配置し,小型化に伴う立体障害を回避することができる。波長分散の方向は,上記と同様に,キャピラリの長軸方向と一致させる。各集光レンズ18は,焦点距離f=2mm,有効径D=1mm,間隔p=1mmは上記と同じであるが,各集光レンズ18と凹面反射型回折格子38の距離はg=2mm,凹面反射型回折格子38の焦点距離はf’=4mmとする。このとき,相対検出光量は98%に向上し,クロストーク信号強度比が0.1%に低減される。しかし,このままでは,結像レンズ(凹面反射型回折格子38)が共通化されているため,各平行光束19が同じ位置に結像され各発光16の波長分散像が2次元センサ上で一致するので,各発光16を独立に多色検出することができなくなる。ここでは,この課題を解決するため,個別集光レンズアレイ17の各集光レンズ18の光軸を平行から互いにずらすことにより,各平行光束19の結像位置をずらす。
As shown in FIG. 9, if the common concave reflection
例えば,図9(a)に示すように,1点鎖線で示す各集光レンズ18の光軸と実線で示す配列平面の法線のなす角度を,θ1=3°,θ2=1°,θ3=−1°,θ4=−3°のように,互いに2°ずつずらし,各平行光束19が放射状に広がるようにする。ただし,各集光レンズ18の各焦点位置は各発光点15からずれないように配置する。このとき,各発光の結像位置は互いに0.14mmの距離だけ離れ,この距離は各発光の結像サイズ0.1mm(像倍率が2倍となるため)よりも大きいため,各発光を独立に多色検出することが可能となる。
For example, as shown in FIG. 9A, the angles formed by the optical axis of each
図7のように,レーザビーム11を複数のキャピラリ1の配列平面の側方より照射する場合,各キャピラリの界面におけるレーザ反射によって,各キャピラリのレーザ照射強度が,レーザビーム11の入射側(図7(a)の右側)から出射側(図7(a)の左側)に向かって徐々に低下する。したがって,集光レンズ18以降の蛍光検出装置が各発光点15について同等の効率を有していたとしても,得られる蛍光検出強度,あるいは感度は,レーザビーム照射の後段のキャピラリ1(図7(a)の左側)ほど低くなる場合がある。このような不均一を解消するため,各集光レンズ18の集光効率を発光点15毎に変化させることが有効である。例えば,レーザビーム11の入射側の集光レンズ18の有効径を小さく,レーザビーム11の出射側の集光レンズ18の有効径を大きくすることは有効である。
As shown in FIG. 7, when the
[実施例2]
図10は,発光点アレイからの発光を,個別集光レンズ,共通ダイクロイックミラーセット,及びセンサにより多色検出する装置構成例を示す模式図である。図10(a)はレーザ照射位置における各キャピラリの長軸に垂直な断面を示し,図10(b)は任意の一つのキャピラリの長軸に平行な断面を示す。また,図10(c)は2次元センサで検出される画像を示す。
[Example 2]
FIG. 10 is a schematic diagram showing an example of a device configuration for detecting multicolor of light emitted from a light emitting point array by using an individual condenser lens, a common dichroic mirror set, and a sensor. FIG. 10A shows a cross section perpendicular to the long axis of each capillary at the laser irradiation position, and FIG. 10B shows a cross section parallel to the long axis of any one capillary. Further, FIG. 10C shows an image detected by the two-dimensional sensor.
図10に示すように,外径0.36mm,内径0.05mmの4本のキャピラリ1のレーザ照射位置を間隔p=0.5mmで同一平面上に配列し,径0.05mmに絞ったレーザビーム11を配列平面側方より照射することで,数n=4個,有効径d=0.05mmの発光点15が間隔p=0.5mmで配列する発光点アレイを得る。ここで,レーザビーム11の波長は505nm,4色の蛍光(発光極大波長)は,A蛍光(540nm),B蛍光(570nm),C蛍光(600nm),及びD蛍光(630nm)とする。発光点アレイの全幅はW=p*(n−1)=1.5mmである。焦点距離f=1mm,有効径D=0.4mmの4個の集光レンズ18が間隔p=0.5mmで配列する個別集光レンズアレイ17を,各集光レンズ18の焦点位置と各発光点15が一致するように,また各集光レンズ18の光軸が配列平面と垂直になるように設置し,各発光点15からの発光をそれぞれ集光して平行光束19とする。
As shown in FIG. 10, laser irradiation positions of four
次に,各平行光束19を,光軸方向に直列に配列された1組の共通ダイクロイックミラーセットに並列に入射させる。ダイクロイックミラーセットは,ロングパスフィルタ56,Aダイクロイックミラー39,Bダイクロイックミラー41,Cダイクロイックミラー43,及びDダイクロイックミラー45の5点の要素で構成され,各要素はそれぞれ1個ずつであり,それぞれが各発光点について共通かつ並列に用いられる。ロングパスフィルタ56は,配列平面と平行に,各集光レンズ18から0.5mmの距離の位置に配置する。各ダイクロイックミラー39,41,43,45は,キャピラリの長軸と平行に1mm間隔で配置し,それぞれ法線が配列平面に対して45°傾くように配置する。また,Aダイクロイックミラー39の中心を各集光レンズから1mmの距離(ロングパスフィルタ56から0.5mmの距離)の位置に配置する。各要素のサイズは,発光点アレイの配列方向の有効径がDM1=3mm,これと直交方向の有効径がDM2=1.4mm(ロングパスフィルタのみDM2=1mm)である。
Next, each parallel
各平行光束19を,最初にロングパスフィルタ56に垂直に並列に入射させ,520nm以下の光をカットし,特にレーザビームの波長である505nmを大幅にカットする。ロングパスフィルタ56を透過した各平行光束を,次にAダイクロイックミラー39に45°で並列に入射させ,530〜550nmの光を透過させ,560nm以上の光を反射させる。Aダイクロイックミラー39の透過光である530〜550nmの各平行光束をA平行光束40と呼び,主にA蛍光(極大発光波長540nm)の検出に用いる。Aダイクロイックミラー39の反射光である各平行光束を,次にBダイクロイックミラー41に45°で並列に入射させ,560〜580nmの光を反射させ,590nm以上の光を透過させる。Bダイクロイックミラー41の反射光である560〜580nmの各平行光束をB平行光束42と呼び,主にB蛍光(極大発光波長570nm)の検出に用いる。
Each parallel
Bダイクロイックミラー41の透過光である各平行光束を,次にCダイクロイックミラー43に45°で並列に入射させ,590〜610nmの光を反射させ,620nm以上の光を透過させる。Cダイクロイックミラー43の反射光である590〜610nmの各平行光束をC平行光束44と呼び,主にC蛍光(極大発光波長600nm)の検出に用いる。Cダイクロイックミラー43の透過光である各平行光束を,次にDダイクロイックミラー45に45°で並列に入射させ,620〜640nmの光を反射させ,650nm以上の光を透過させる(図10に示さず)。Dダイクロイックミラー45の反射光である620〜640nmの平行光束をD平行光束46と呼び,主にD蛍光(極大発光波長630nm)の検出に用いる。4個の各発光点に対応する4組の各平行光束40,42,44,46はいずれも,配列平面と垂直方向に進行する。なお,Dダイクロイックミラー45は全反射ミラーで置き換えても良い。
Each parallel light beam transmitted from the B
続いて,共通2次元CCDのセンサ面27を配列平面と平行に,各集光レンズから2mmの距離(各ダイクロイックミラー39,41,43,45の中心から1mmの距離)の位置に配置し,4組の各平行光束40,42,44,46を結像させずにセンサ面27に並列に入射させる。図10(c)に示す2次元CCDで撮像した画像51上には,平行光束40,42,44,46に対応するスポット52,53,54,55がそれぞれ4組,合計16個のスポットが形成される。各スポットは,径0.4mm,発光点アレイ方向に0.5mm間隔,キャピラリ長軸方向に1mm間隔で格子状に配列され,それぞれが独立に検出される。したがって,2次元CCDのセンサ面27のサイズは,発光点アレイ方向に3mm以上,キャピラリ長軸方向に5mm以上あれば十分である。このとき,最も光路長の長いD平行光束46を基準とすると,各集光レンズ18とセンサ面27の距離はg=5mmである。f=1mmに対して,−0.20*(d/D)*g+2.8*D=1mmとなり,式(1)が満足され,相対検出光量は51%(>50%)となる。また,0.95*(d/p)*g=0.48mmとなり,式(2)が満足され,クロストーク信号強度比が0.1%(<25%)となる。各発光点に対応する4個のスポットの強度の時間変化を分析することによって,4色の蛍光強度の時間変化を求め,塩基種の順番,すなわち塩基配列を決定する。
Subsequently, the
以上の蛍光検出装置の全体サイズは,キャピラリの長軸方向の幅が5mm,配列平面と垂直方向の幅が5mm,発光点アレイ方向の幅が3mmで規定される直方体の体積(75mm2)よりも小さい。すなわち,特許文献1の場合と比較して,蛍光検出装置の全体サイズを1/21,000倍に小型化できる。また,用いる光学素子はいずれも微細であるため,大幅な低コスト化が可能である。さらに,本蛍光検出装置による各発光の多色検出感度は高く,かつ均一であり,多色識別精度は高く,クロストークも低い。上記の実施例では発光点の数がn=4であったが,数に限りはなく,数が増えても同様の効果を発揮することができる。ダイクロイックミラーセットを用いて多色検出を行う他の効果は,特許文献1や実施例1で用いる回折格子の場合と比較して,実効的な検出光量が多いことである。回折格子を用いる場合は波長分散に活用できる回折効率は50%程度であるのに対して,ダイクロイックミラーセットを用いる場合は殆どロスがないため,実効的には,上記の相対検出光量の2倍程度の光量を得ることができる。
The overall size of the above fluorescence detection device is based on the volume of a rectangular parallelepiped (75 mm 2 ) defined by the width of the capillary in the long axis direction of 5 mm, the width in the direction perpendicular to the array plane of 5 mm, and the width in the direction of the emission point array of 3 mm. Is also small. That is, the overall size of the fluorescence detection device can be reduced by 1/21,000 times as compared with the case of
図11は,発光点アレイからの発光を,個別集光レンズ,共通ダイクロイックミラーセット,及びセンサにより,波長分散の場合と同等に多色検出する装置構成例を示す断面模式図である。 FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing an example of a device configuration that detects light emitted from a light emitting point array by using an individual condenser lens, a common dichroic mirror set, and a sensor in the same manner as in the case of wavelength dispersion.
図11は,上記の共通ダイクロイックミラーセットを発展させたものである。ダイクロイックミラーセットは,光軸方向に順番に配列されたロングパスフィルタ56,ダイクロイックミラー57,59,61,63,65,67,69,71の9点の要素で構成される。ダイクロイックミラー57は,520〜540nmの平行光束58を透過させ,540nm以上の光を反射させる。ダイクロイックミラー59は,540〜560nmの平行光束60を反射させ,560nm以上の光を透過させる。ダイクロイックミラー61は,560〜580nmの平行光束62を反射させ,580nm以上の光を透過させる。ダイクロイックミラー63は,580〜600nmの平行光束64を反射させ,600nm以上の光を透過させる。ダイクロイックミラー65は,600〜620nmの平行光束66を反射させ,620nm以上の光を透過させる。ダイクロイックミラー67は,620〜640nmの平行光束68を反射させ,640nm以上の光を透過させる。ダイクロイックミラー69は,640〜660nmの平行光束70を反射させ,660nm以上の光を透過させる。ダイクロイックミラー71は,660〜680nmの平行光束72を反射させ,680nm以上の光を透過させる。
FIG. 11 is an extension of the above-mentioned common dichroic mirror set. The dichroic mirror set is composed of nine elements: a
以上により,1つの発光点15からの発光がセンサ面27上に8個のスポットを形成し,これらの強度は520〜680nmの範囲の20nm幅の発光スペクトルを与える。このような構成にすることにより,用いる蛍光体の種類に応じてダイクロイックミラーを設計し直す必要がなくなり,520〜680nmの範囲の任意の蛍光を高感度,高精度に検出することが可能となる。各発光を分割するスポットの数,分割する波長幅は,上記の実施例に限らず,任意に設定できることは言うまでもない。
As described above, the light emitted from one
[実施例3]
図12は,発光点アレイからの発光を,個別集光レンズ,及びカラーセンサにより多色検出する装置構成例を示す断面模式図である。図12(a)はレーザ照射位置における各キャピラリの長軸に垂直な断面を示し,図10(b)は2次元センサで検出される画像を示す。本実施例は,2次元センサ,例えば2次元CCDにカラーセンサ面73を用いる例である。
[Example 3]
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view showing an example of a device configuration for detecting multicolor of light emitted from a light emitting point array by using an individual condenser lens and a color sensor. FIG. 12 (a) shows a cross section perpendicular to the long axis of each capillary at the laser irradiation position, and FIG. 10 (b) shows an image detected by the two-dimensional sensor. This embodiment is an example in which a
各発光点15からロングパスフィルタ56までは,実施例2の図10と同じ構成である。図12(a)に示すように,ロングパスフィルタ56を透過した各平行光束は直接,2次元CCDのカラーセンサ面73に入射される。各集光レンズ18とカラーセンサ面73の距離はg=1mmとする。このとき,f=1mmに対して,−0.20*(d/D)*g+2.8*D=1.1mmとなり,式(1)が満足され,相対検出光量は61%(>50%)となる。また,0.95*(d/p)*g=0.10mmとなり,式(2)が満足され,クロストーク信号強度比が0.0%(<25%)となる。
Each
図12(b)に示すように,カラーセンサ面73の像74上には,各平行光束によるスポット75が形成される。各スポット75は,径D=0.4mm,発光点アレイ方向に0.5mm間隔で配列され,それぞれが独立に検出される。図12(b)の拡大図に模式的に示すように,カラーセンサ面73は,主にA蛍光(極大発光波長540nm)を検出するA画素76,主にB蛍光(極大発光波長570nm)を検出するB画素77,主にC蛍光(極大発光波長600nm)を検出するC画素78,主にD蛍光(極大発光波長630nm)を検出するD画素79の4種類の画素がそれぞれ多数個,規則正しく配列して構成されている。各画素76,77,78,79のサイズはいずれもS=0.05mmであり,S<Dを満たす。このとき,各スポット75は約80個の画素で検出され,1種類の画素あたり約20画素で検出される。このように,各種類の画素について,多数個の画素が各スポット75を検出することによって,各発光点15からの発光の多色検出を精度良く行うことができる。例えば,各種類の画素と,スポットの相対位置が変動したとしても問題にならない。あるいは,スポット内の光強度分布が不均一であったとしても,各色を均等に検出できる。
As shown in FIG. 12B, spots 75 due to the parallel luminous fluxes are formed on the
以上の蛍光検出装置の全体サイズは,キャピラリの長軸方向の幅が3mm,配列平面と垂直方向の幅が2mm,発光点アレイ方向の幅が3mmで規定される直方体の体積(18mm2)よりも小さい。すなわち,特許文献1の場合と比較して,蛍光検出装置の全体サイズを1/89,000倍に小型化できる。また,用いる光学素子はいずれも微細であるため,大幅な低コスト化が可能である。さらに,本蛍光検出装置による各発光の多色検出感度は高く,かつ均一であり,多色識別精度は高く,クロストークも低い。上記の実施例では発光点の数がn=4であったが,数に限りはなく,数が増えても同様の効果を発揮することができる。ただし,上記のようなカラーセンサを用いる場合は,センサ面に入射する光量の利用効率は1/4に低下する。回折格子を用いる実施例1の回折効率50%程度の場合と比較すると,実効的な効率は約半分となる。しかしながら,装置構成は非常に単純であり,一層の小型化が可能である。
The overall size of the above fluorescence detection device is based on the volume of a rectangular parallelepiped (18 mm 2 ) defined by the width in the long axis direction of the capillary being 3 mm, the width in the direction perpendicular to the array plane being 2 mm, and the width in the direction of the emission point array being 3 mm. Is also small. That is, the overall size of the fluorescence detection device can be reduced by 1/89,000 times as compared with the case of
センサ面の入射する光量の利用効率を向上するためには,各色を検出する素子が図12のようにセンサ面と平行に配列するカラーセンサではなく,センサ面に垂直に配列するカラーセンサを用いることが有効である。この場合は必ずしもS<Dを満たす必要はない。 In order to improve the utilization efficiency of the amount of light incident on the sensor surface, a color sensor in which the elements for detecting each color are arranged perpendicular to the sensor surface is used instead of the color sensor arranged in parallel with the sensor surface as shown in FIG. Is effective. In this case, it is not always necessary to satisfy S <D.
[実施例4]
本発明の実装上の課題のひとつは,各発光点と各集光レンズの位置合わせを如何に精度良く,簡便に行うかである。本実施例は,複数のキャピラリについて,これを実現する手段を示すものである。
[Example 4]
One of the problems in implementing the present invention is how to accurately and easily align each light emitting point with each condenser lens. This embodiment shows the means to realize this for a plurality of capillaries.
図13は,複数のキャピラリと,複数のキャピラリを配列するV溝アレイと,個別集光レンズアレイとを一体化したデバイスの構成例を示す断面模式図である。図13(a)はレーザ照射位置における各キャピラリの長軸に垂直な断面を示し,図13(b)はレーザ照射位置ではない個所における各キャピラリの長軸に垂直な断面を示し,図13(c)は任意の一つのキャピラリの長軸に平行な断面を示す。図13(a)は図13(c)のA−A断面に相当し,図13(b)は図13(c)のB−B断面に相当する。 FIG. 13 is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of a device in which a plurality of capillaries, a V-groove array in which a plurality of capillaries are arranged, and an individual condenser lens array are integrated. FIG. 13 (a) shows a cross section perpendicular to the long axis of each capillary at the laser irradiation position, and FIG. 13 (b) shows a cross section perpendicular to the long axis of each capillary at a position other than the laser irradiation position. c) shows a cross section parallel to the long axis of any one capillary. 13 (a) corresponds to the AA cross section of FIG. 13 (c), and FIG. 13 (b) corresponds to the BB cross section of FIG. 13 (c).
図13に示すデバイスは,複数のキャピラリ1からなるキャピラリアレイと,サブデバイス80を含む。サブデバイス80は,複数のV溝81が間隔pで配列したV溝アレイと,複数の集光レンズ18が間隔pで配列した集光レンズアレイが同一デバイスに形成されたものであり,各V溝81と各集光レンズ18の中心軸を一致させてある。複数のキャピラリ1をそれぞれV溝81に押し当てることによって,簡便に,複数のキャピラリ1を所定の間隔pで同一平面上に配列させることができる。また,各キャピラリ1のレーザビーム11の照射位置である各発光点15と,各集光レンズ18の焦点が一致するように,サブデバイス80における各V溝81と各集光レンズ18の相対位置を調整しておく。これにより,発光点15からの発光が集光レンズ18によって平行光束19に変換される。
The device shown in FIG. 13 includes a capillary array composed of a plurality of
図13(a)に示すように,発光点15におけるキャピラリ1の断面には,サブデバイス80の集光レンズ18が存在し,V溝81が存在しない。一方,図13(b)に示すように,発光点15の両脇におけるキャピラリ1の断面には,サブデバイス80の集光レンズ18が存在せず,V溝81が存在する。図13(c)はキャピラリ1の長軸方向の断面を示し,サブデバイス80の中央に集光レンズ18が存在し,その両脇にV溝81が存在している。これは,V溝81によるキャピラリ1の高精度な位置合わせを実現しつつ,発光点15からの発光の検出をV溝81が邪魔をしないようにする工夫である。以上のようなサブデバイス80を予め作成しておけば,複数のキャピラリ1をそれぞれ各V溝81に押し付けるだけで,各発光点15と各集光レンズ18の高精度な位置合わせを簡便に行うことが可能となる。本実施例は,実施例1〜3のいずれの構成とも組み合わせることができる。V溝アレイと集光レンズアレイを一体化したサブデバイス80は,射出成形やインプリントのような加工法で一体成形することが可能であり,低コストに量産も可能である。もちろん,V溝81と集光レンズ18を別々に作製してから結合させることでサブデバイス80を完成させても良い。
As shown in FIG. 13A, the
サブデバイスはV溝アレイが無い場合も有効である。例えば,サブデバイスのキャピラリ配列側の表面をV溝アレイではなく,平面としても良い。複数のキャピラリの配列間隔は別の手段によって調整する必要があるが,各キャピラリをサブデバイスの上記平面に押し付けることによって,各キャピラリと各集光レンズの距離,すなわち各発光点と各集光レンズの距離を制御することは可能である。あるいは,V溝ではなくても,キャピラリの位置を制御するための構造物をサブデバイスに設ければ良い。 The subdevice is also effective in the absence of a V-groove array. For example, the surface of the sub-device on the capillary array side may be a flat surface instead of the V-groove array. The arrangement spacing of multiple capillaries needs to be adjusted by another means, but by pressing each capillary against the above plane of the subdevice, the distance between each capillary and each condenser lens, that is, each emission point and each condenser lens. It is possible to control the distance of. Alternatively, the sub-device may be provided with a structure for controlling the position of the capillary, even if it is not a V-groove.
各集光レンズ18の,発光点アレイ方向の焦点距離f1と,キャピラリの長軸方向の焦点距離f2とするとき,以上の実施例ではf1=f2としていたが,f1≠f2とすることも有効である。キャピラリ1は円筒形状をしているため,発光点アレイ方向にレンズ作用を持つが,長軸方向にはレンズ作用を持たない。したがって,発光点15からの発光を集光レンズ18で効率良く集光するためには,上記のキャピラリのレンズ作用の方向による違いをキャンセルすることが有効であり,そのためにはf1≠f2とすれば良い。これは,各集光レンズ18を非球面とすることで簡単に実現できる。また,各集光レンズ18をフレネルレンズとすることによって,レンズの厚みを低減し,蛍光検出装置をさらに小型化することも可能である。フレネルレンズの利用は,f1=f2の場合も,もちろん有効である。
When the focal length f1 in the light emitting point array direction and the focal length f2 in the major axis direction of the capillary of each
図14は,複数のキャピラリにそれぞれ個別集光レンズを接着したデバイスの構成例を示す断面模式図である。図14(a)はレーザ照射位置における各キャピラリの長軸に垂直な断面を示し,図14(c)は任意の一つのキャピラリの長軸に平行な断面を示す。ここでは,各発光点と各集光レンズの位置合わせを精度良く,簡便に行う他の方法を示す。 FIG. 14 is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of a device in which individual condenser lenses are bonded to a plurality of capillaries. FIG. 14 (a) shows a cross section perpendicular to the long axis of each capillary at the laser irradiation position, and FIG. 14 (c) shows a cross section parallel to the long axis of any one capillary. Here, we show another method for accurately and easily aligning each light emitting point with each condenser lens.
個別集光レンズ18を各キャピラリ1に接着し,各集光レンズ18の焦点と各キャピラリ1の発光点15が一致するようにする。図14では,球状の集光レンズ18を用いているが,もちろん他の形状の集光レンズでも構わない。各集光レンズ18の各キャピラリ1への接着は,複数のキャピラリの同一平面上への配列が終わってから行う方が望ましい。これは,複数のキャピラリ1の配列工程で,複数の集光レンズ18が同一平面上に並ばなかったり,複数の集光レンズ18の光軸が互いに平行でなくなったりすることを避けられる効果を生む。また,上記の接着が終了した状態のキャピラリアレイをユーザに供給することによって,キャピラリアレイの搬送工程,蛍光検出装置への設置工程等で,各発光点15と各集光レンズ18の相対位置が所定の位置からずれることを防ぐことができる。
The
[実施例5]
図15は,マルチチャンネルを有するマイクロチップと個別集光レンズアレイが一体化したデバイスの構成例を示す断面模式図である。本実施例は,複数のキャピラリではなく,マイクロチップ86に設けられた複数のチャンネル82,すなわちチャンネルアレイを対象とする。
[Example 5]
FIG. 15 is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of a device in which a microchip having a multi-channel and an individual condenser lens array are integrated. This embodiment targets a plurality of
図示の例のマイクロチップ86は,表面に複数の角型の4個の溝が形成されたチャンネル基板83と,表面が平面である平面基板84を,それぞれの表面を対向させて張り合わせて作製される。チャンネル基板83と平面基板84の境界を張り合わせ面85と呼ぶ。上記の4個の溝は,張り合わせ面85で仕切られることによって,4個のチャンネル82を形成する。これらのチャンネル82は,径0.05mmであり,間隔p=0.5mmで同一平面上に配列する。本実施例では,複数のチャンネルの配列平面を,単に配列平面と呼ぶ。径0.05mmに絞ったレーザビーム11を配列平面側方より照射することで,数n=4個,有効径d=0.05mmの発光点15が間隔p=0.5mmで配列する発光点アレイを得る。発光点アレイの全幅はW=p*(n−1)=1.5mmである。本実施例では,さらに,チャンネル基板83の溝が形成された表面と反対側の裏面に4個の個別集光レンズ18を形成する。これらの集光レンズ18は,間隔p=0.5mmで配列平面と平行に,各光軸が配列平面と垂直になるように配列され,かつ各焦点が各発光点と一致するようにする。
The
チャンネル基板83を射出成形やインプリントで作製すれば,表面に溝,裏面に集光レンズ18を,それぞれの相対位置を上記の通りに精度良く合わせながら低コストに加工することが可能である。ここでは,集光レンズ18の焦点距離f=1mm,有効径D=0.4mmとする。集光レンズ18によって各発光点15からの発光をそれぞれ集光して平行光束19とする。それ以降は,これまで説明した,いずれの実施例の蛍光検出装置とも組み合わせることができる。各チャンネル82を用いて,上記の実施例と同様に電気泳動によるDNAシーケンスを行っても良いし,その他のアプリケーションに適用しても構わない。いずれの場合にも,4個の発光点からの発光を,従来と比較して大幅に小型化された蛍光検出装置を用いて,低クロストークかつ高感度に多色検出できる。
If the
次に,マイクロチップ86を用いた,より具体的な実施例を説明する。
Next, a more specific embodiment using the
図16は,マルチチャンネルを有するマイクロチップと個別集光レンズアレイが一体化したデバイスと個別LED照明による発光点アレイからの発光を,共通ダイクロイックミラーセット,及びセンサにより多色検出する装置構成例を示す断面模式図である。図16(a)はマイクロチップの上面模式図,図16(b)は任意の1個のチャンネルを側面から見た断面模式図,図16(c)は,蛍光標識されてチャンネル内部を流れる液滴と発光点の関係を示す説明図である。 FIG. 16 shows an example of a device configuration in which a device in which a microchip having a multi-channel and an individual condensing lens array are integrated and light emission from a light emitting point array by individual LED lighting are detected in multiple colors by a common dichroic mirror set and a sensor. It is a cross-sectional schematic diagram which shows. 16 (a) is a schematic top view of a microchip, FIG. 16 (b) is a schematic cross-sectional view of any one channel viewed from the side, and FIG. 16 (c) is a fluorescently labeled liquid flowing inside the channel. It is explanatory drawing which shows the relationship between a drop and a light emitting point.
図16(a)の上面模式図に示すように,図示の例のマイクロチップ86には,径0.1mm,長さ50mmの10個のチャンネル82が,間隔p=2mmで,平行かつ同一平面上に配列している。各チャンネル82の両端には,フロー入口87とフロー出口88が形成されている。各チャンネル82の中央に発光点15が位置している。
As shown in the schematic top view of FIG. 16 (a), in the
図16(b)に示すように,これまでの実施例と異なり,本実施例では,励起光としてレーザビームの代わりにLED光を用い,落射蛍光検出の光学系を採用する。また,LED光源90は,チャンネル82毎に個別に準備する。個別LED光源90から発振した中心波長505nmのLED光は,焦点距離5mmの個別コリメートレンズ91によりLED平行光束92とされた後,共通LEDダイクロイックミラー89に45°の入射角で並列に入射して反射され,配列平面に向かって垂直に進む。LEDダイクロイックミラー89の中心は,各集光レンズ18から1mmの距離の位置に配置する。次に,各LED平行光束92は,焦点距離f=1mm,有効径D=1mmの個別集光レンズ18によって各発光点15の位置にそれぞれ集光される。このとき,LED光の集光サイズは径0.05mmとなるため,発光点のサイズもd=0.05mmとなり,チャンネル82の径0.1mmよりも小さくすることができる。これはクロストークを低減する上で有利となる。
As shown in FIG. 16B, unlike the previous embodiments, in this embodiment, LED light is used instead of the laser beam as the excitation light, and an optical system for detecting epi-fluorescence is adopted. Further, the
各発光点15からの発光は,同一の個別集光レンズ18によりそれぞれ平行光束19とされ,共通LEDダイクロイックミラー89に45°の入射角で並列に入射し,LED光はLEDダイクロイックミラー89でそれぞれ反射してLED光源90の方向に進み,蛍光はLEDダイクロイックミラー89をそれぞれ透過する。以降の,Aダイクロイックミラー39,Bダイクロイックミラー41,Cダイクロイックミラー43,及びDダイクロイックミラー45の各要素を各発光点について共通かつ並列に用い,A蛍光,B蛍光,C蛍光,及びD蛍光を検出する点は実施例2と同等である。実施例2と異なる点は,Aダイクロイックミラー39の中心と各集光レンズ18の距離が2mmであること,各ダイクロイックミラー39,41,43,45の発光点アレイの配列方向の有効径がDM1=25mmであることである。このとき,各集光レンズ18とセンサ面27の距離はg=6mmである。f=1mmに対して,−0.20*(d/D)*g+2.8*D=2.74mmとなり,式(1)が満足され,相対検出光量は362%(>50%)となる。また,0.95*(d/p)*g=0.14mmとなり,式(2)が満足され,クロストーク信号強度比が0.0%(<25%)となる。
The light emitted from each
本実施例では,上記のマイクロチップ86及び蛍光検出装置をデジタルPCRの測定に用いる。デジタルPCRでは,オイル中に多数の液滴(エマルジョン)を形成し,各液滴にターゲットのDNA分子が0個か1個だけ含まれるようにする。この状態でPCRを行い,ターゲットが存在して増幅された場合に蛍光を発光するようにする。ひとつひとつの液滴の蛍光発光の有無を調べることによって,元のサンプル中に存在したターゲットの分子数を高精度に定量する。さらに,4色の蛍光検出を行うことによって,4種類のターゲットについて,独立にデジタルPCRを行うことが可能である。デジタルPCRの課題の一つはスループットの向上であり,多数の液滴の高スループットな多色検出が重要である。図16(c)は,チャンネル82の内部を,オイルとともに,A蛍光,B蛍光,C蛍光,及びD蛍光で標識された4種類の液滴93,94,95,96がフローし,発光点15を横切る際に励起を受けて各蛍光を発光する構成を示している。従来は,1個のチャンネルを用いた1色検出によりデジタルPCRの測定を行っていたが,本実施例では,10個のチャンネルを用いた4色検出によりデジタルPCRの測定を行えるため,スループットは40倍となる。しかも,マイクロチップ86及び蛍光検出装置は非常に小型であり,低コストに製造可能である。
In this example, the above-mentioned
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and includes various modifications. For example, the above-described embodiment has been described in detail in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and is not necessarily limited to the one including all the described configurations. Further, it is possible to replace a part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment, and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment. Further, it is possible to add / delete / replace a part of the configuration of each embodiment with another configuration.
1 キャピラリ
10 レーザ光源
11 レーザビーム
12 レーザ照射位置
15 発光点
17 集光レンズアレイ
18 集光レンズ
20 ロングパスフィルタ
21 透過型回折格子
23 結像レンズ
27 センサ面
28 センサ領域
38 凹面反射型回折格子
39 Aダイクロイックミラー
41 Bダイクロイックミラー
43 Cダイクロイックミラー
45 Dダイクロイックミラー
47 波長分散像
56 ロングパスフィルタ
73 カラーセンサ面
80 サブデバイス
81 V溝
82 チャンネル
83 チャンネル基板
84 平面基板
86 マイクロチップ
90 LED光源
91 コリメートレンズ
97 低分散プリズム
1
Claims (22)
m個の発光点が配列した発光点アレイの各発光点からの発光をそれぞれ個別に集光してm個の光束とするm個の集光レンズが配列した集光レンズアレイと,
少なくとも第1のダイクロイックミラーと第2のダイクロイックミラーを含む,n個のダイクロイックミラーが略平行に配列したダイクロイックミラーアレイと,
少なくとも1個のセンサと,を備え,
前記m個の光束の少なくとも一部が前記第1のダイクロイックミラーにそれぞれ並列に入射され,前記第1のダイクロイックミラーが前記m個の光束の少なくとも一部をそれぞれ,m個の第1の透過光束と,m個の第1の反射光束に分割し,
前記m個の第1の反射光束の少なくとも一部が前記第2のダイクロイックミラーにそれぞれ並列に入射され,前記第2のダイクロイックミラーが前記m個の第1の反射光束の少なくとも一部をそれぞれ,少なくともm個の第2の反射光束に変換し,
前記m個の第1の透過光束の少なくとも一部と前記m個の第2の反射光束の少なくとも一部が,再集光されずに,前記センサにそれぞれ並列に入射される多色検出装置。 Let m and n be arbitrary integers of 2 or more, respectively.
A condenser lens array in which m condenser lenses are arranged to individually collect light emitted from each emission point of the emission point array in which m emission points are arranged to obtain m luminous flux.
A dichroic mirror array in which n dichroic mirrors are arranged substantially in parallel, including at least a first dichroic mirror and a second dichroic mirror.
With at least one sensor,
At least a part of the m light flux is incident on the first dichroic mirror in parallel, and the first dichroic mirror makes at least a part of the m light flux, each of which is m first transmitted light flux. And divided into m first reflected luminous flux,
At least a part of the m first reflected light flux is incident on the second dichroic mirror in parallel, and the second dichroic mirror makes at least a part of the m first reflected light flux, respectively. Converted to at least m second reflected light flux,
A multicolor detection device in which at least a part of the m first transmitted light flux and at least a part of the m second reflected light flux are incident on the sensor in parallel without being refocused.
前記m個の集光レンズの光軸の方向と,前記センサのセンサ面が略垂直である多色検出装置。 In the multicolor detection device according to claim 1,
A multicolor detection device in which the direction of the optical axis of the m condenser lenses and the sensor surface of the sensor are substantially perpendicular to each other.
前記m個の集光レンズの光軸の方向と,前記m個の集光レンズが配列する方向のそれぞれと,前記n個のダイクロイックミラーが配列する方向が略垂直である多色検出装置。 In the multicolor detection device according to claim 1 or 2.
A multicolor detection device in which the direction of the optical axis of the m condensing lenses, the direction in which the m condensing lenses are arranged, and the direction in which the n dichroic mirrors are arranged are substantially perpendicular to each other.
前記m個の発光点の有効径の平均をd,前記m個の集光レンズの焦点距離の平均をf,前記m個の集光レンズの有効径の平均をD,前記m個の第2の反射光束の,前記m個の集光レンズと前記センサの間の光路長の平均をgとするとき,
f≦−0.20*(d/D)*g+2.8*D
を満足する多色検出装置。 In the multicolor detection device according to claim 1,
The average of the effective diameters of the m light emitting points is d, the average of the focal lengths of the m condenser lenses is f, the average of the effective diameters of the m condenser lenses is D, and the average of the m second condenser lenses is d. When the average of the optical path lengths between the m condensing lenses and the sensor of the reflected light beam is g.
f ≦ -0.20 * (d / D) * g + 2.8 * D
A multicolor detector that satisfies.
前記m個の発光点の配列間隔の平均をpとするとき,
f≧0.95*(d/p)*g
を満足する多色検出装置。 In the multicolor detection device according to claim 4,
When the average of the arrangement intervals of the m light emitting points is p,
f ≧ 0.95 * (d / p) * g
A multicolor detector that satisfies.
前記m個の発光点の有効径の平均をd,前記m個の集光レンズの焦点距離の平均をf,前記m個の発光点の配列間隔の平均をp,前記m個の第2の反射光束の,前記m個の集光レンズと前記センサの間の光路長の平均をgとするとき,
f≧0.95*(d/p)*g
を満足する多色検出装置。 In the multicolor detection device according to claim 1,
The average of the effective diameters of the m light emitting points is d, the average of the focal lengths of the m condensing lenses is f, the average of the arrangement intervals of the m light emitting points is p, and the average of the m second light emitting points is p. When the average optical path length between the m condensing lenses and the sensor of the reflected light beam is g.
f ≧ 0.95 * (d / p) * g
A multicolor detector that satisfies.
前記m個の発光点の配列間隔の平均をp,前記m個の集光レンズの有効径の平均をD,前記n個のダイクロイックミラーの前記m個の発光点の配列方向の有効径をDM1,前記n個のダイクロイックミラーの前記m個の発光点の配列方向と直交方向の有効径をDM2とするとき,
p*(m−1)+D≦DM1,及び
√2*D≦DM2
を満足する多色検出装置。 In the multicolor detection device according to claim 1,
The average of the arrangement intervals of the m light emitting points is p, the average of the effective diameters of the m condensing lenses is D, and the effective diameter of the n dichroic mirrors in the arrangement direction of the m light emitting points is DM1. When the effective diameter of the n dichroic mirrors in the direction orthogonal to the arrangement direction of the m light emitting points is DM2,
p * (m-1) + D≤DM1, and √2 * D≤DM2
A multicolor detector that satisfies.
前記m個の集光レンズの光軸が互いに平行ではない多色検出装置。 In the multicolor detection device according to claim 1,
A multicolor detection device in which the optical axes of the m condenser lenses are not parallel to each other.
前記ダイクロイックミラーアレイに属さない,第3のダイクロイックミラーをさらに有し,
m個の照射光束が前記第3のダイクロイックミラーにそれぞれ並列に入射され,前記第3のダイクロイックミラーが前記m個の照射光束の少なくとも一部をそれぞれ,少なくともm個の第3の反射光束に変換し,
前記m個の第3の反射光束が,前記m個の集光レンズによってそれぞれ個別に集光され,前記m個の発光点をそれぞれ個別に照射し,
前記m個の光束が,前記m個の発光点からの発光を前記m個の集光レンズによってそれぞれ個別に集光し,前記第3のダイクロイックミラーを並列に透過させた光束である多色検出装置。 In the multicolor detection device according to claim 1,
It also has a third dichroic mirror that does not belong to the dichroic mirror array.
The m irradiation light fluxes are incident on the third dichroic mirror in parallel, and the third dichroic mirror converts at least a part of the m irradiation light fluxes into at least m third reflected light fluxes, respectively. death,
The m third reflected light fluxes are individually focused by the m condensing lenses, and the m emission points are individually irradiated.
Multicolor detection, which is a luminous flux in which the m light beams individually focus the light emitted from the m light emitting points by the m condenser lenses and transmit the third dichroic mirror in parallel. Device.
m個の発光点が配列した発光点アレイの各発光点からの発光をそれぞれ個別に集光してm個の光束とするm個の集光レンズが配列した集光レンズアレイと,
少なくとも第1のダイクロイックミラーと第2のダイクロイックミラーを含む,n個のダイクロイックミラーが略平行に配列したダイクロイックミラーアレイと,
少なくとも1個のセンサと,を備え,
前記m個の光束の少なくとも一部が前記第1のダイクロイックミラーにそれぞれ並列に入射され,前記第1のダイクロイックミラーが前記m個の光束の少なくとも一部をそれぞれ,m個の第1の透過光束と,m個の第1の反射光束に分割し,
前記m個の第1の透過光束の少なくとも一部が前記第2のダイクロイックミラーにそれぞれ並列に入射され,前記第2のダイクロイックミラーが前記m個の第1の透過光束の少なくとも一部をそれぞれ,少なくともm個の第2の反射光束に変換し,
前記m個の第1の反射光束の少なくとも一部と前記m個の第2の反射光束の少なくとも一部が,再集光されずに,前記センサにそれぞれ並列に入射される多色検出装置。 Let m and n be arbitrary integers of 2 or more, respectively.
A condenser lens array in which m condenser lenses are arranged to individually collect light emitted from each emission point of the emission point array in which m emission points are arranged to obtain m luminous flux.
A dichroic mirror array in which n dichroic mirrors are arranged substantially in parallel, including at least a first dichroic mirror and a second dichroic mirror.
With at least one sensor,
At least a part of the m light flux is incident on the first dichroic mirror in parallel, and the first dichroic mirror makes at least a part of the m light flux, each of which is m first transmitted light flux. And divided into m first reflected luminous flux,
At least a part of the m first transmitted light flux is incident on the second dichroic mirror in parallel, and the second dichroic mirror makes at least a part of the m first transmitted light flux, respectively. Converted to at least m second reflected light flux,
A multicolor detection device in which at least a part of the m first reflected light flux and at least a part of the m second reflected light flux are incident on the sensor in parallel without being refocused.
前記m個の集光レンズの光軸の方向と,前記センサのセンサ面が略垂直である多色検出装置。 In the multicolor detection device according to claim 10,
A multicolor detection device in which the direction of the optical axis of the m condenser lenses and the sensor surface of the sensor are substantially perpendicular to each other.
前記m個の集光レンズの光軸の方向と,前記m個の集光レンズが配列する方向のそれぞれと,前記n個のダイクロイックミラーが配列する方向が略垂直である多色検出装置。 In the multicolor detection device according to claim 10 or 11.
A multicolor detection device in which the direction of the optical axis of the m condensing lenses, the direction in which the m condensing lenses are arranged, and the direction in which the n dichroic mirrors are arranged are substantially perpendicular to each other.
前記m個の発光点の有効径の平均をd,前記m個の集光レンズの焦点距離の平均をf,前記m個の集光レンズの有効径の平均をD,前記m個の第2の反射光束の,前記m個の集光レンズと前記センサの間の光路長の平均をgとするとき,
f≦−0.20*(d/D)*g+2.8*D
を満足する多色検出装置。 In the multicolor detection device according to claim 10,
The average of the effective diameters of the m light emitting points is d, the average of the focal lengths of the m condenser lenses is f, the average of the effective diameters of the m condenser lenses is D, and the average of the m second condenser lenses is d. When the average of the optical path lengths between the m condensing lenses and the sensor of the reflected light beam is g.
f ≦ -0.20 * (d / D) * g + 2.8 * D
A multicolor detector that satisfies.
前記m個の発光点の配列間隔の平均をpとするとき,
f≧0.95*(d/p)*g
を満足する多色検出装置。 In the multicolor detection device according to claim 13,
When the average of the arrangement intervals of the m light emitting points is p,
f ≧ 0.95 * (d / p) * g
A multicolor detector that satisfies.
前記m個の発光点の有効径の平均をd,前記m個の発光点の配列間隔の平均をp,前記m個の集光レンズの焦点距離の平均をf,前記m個の第2の反射光束の,前記m個の集光レンズと前記センサの間の光路長の平均をgとするとき,
f≧0.95*(d/p)*g
を満足する多色検出装置。 In the multicolor detection device according to claim 10,
The average of the effective diameters of the m light emitting points is d, the average of the arrangement intervals of the m light emitting points is p, the average of the focal lengths of the m light emitting lenses is f, and the average of the m second light emitting points is the second. When the average optical path length between the m condensing lenses and the sensor of the reflected light beam is g.
f ≧ 0.95 * (d / p) * g
A multicolor detector that satisfies.
前記m個の発光点の配列間隔の平均をp,前記m個の集光レンズの有効径の平均をD,前記n個のダイクロイックミラーの前記m個の発光点の配列方向の有効径をDM1,前記n個のダイクロイックミラーの前記m個の発光点の配列方向と直交方向の有効径をDM2とするとき,
p*(m−1)+D≦DM1,及び
√2*D≦DM2
を満足する多色検出装置。 In the multicolor detection device according to claim 10,
The average of the arrangement intervals of the m light emitting points is p, the average of the effective diameters of the m condensing lenses is D, and the effective diameter of the n dichroic mirrors in the arrangement direction of the m light emitting points is DM1. When the effective diameter of the n dichroic mirrors in the direction orthogonal to the arrangement direction of the m light emitting points is DM2,
p * (m-1) + D≤DM1, and √2 * D≤DM2
A multicolor detector that satisfies.
前記m個の集光レンズの光軸が互いに平行ではない多色検出装置。 In the multicolor detection device according to claim 10,
A multicolor detection device in which the optical axes of the m condenser lenses are not parallel to each other.
前記ダイクロイックミラーアレイに属さない,第3のダイクロイックミラーをさらに有し,
m個の照射光束が前記第3のダイクロイックミラーにそれぞれ並列に入射され,前記第3のダイクロイックミラーが前記m個の照射光束の少なくとも一部をそれぞれ,少なくともm個の第3の反射光束に変換し,
前記m個の第3の反射光束が,前記m個の集光レンズによってそれぞれ個別に集光され,前記m個の発光点をそれぞれ個別に照射し,
前記m個の光束が,前記m個の発光点からの発光を前記m個の集光レンズによってそれぞれ個別に集光し,前記第3のダイクロイックミラーを並列に透過させた光束である多色検出装置。 In the multicolor detection device according to claim 10,
It also has a third dichroic mirror that does not belong to the dichroic mirror array.
The m irradiation light fluxes are incident on the third dichroic mirror in parallel, and the third dichroic mirror converts at least a part of the m irradiation light fluxes into at least m third reflected light fluxes, respectively. death,
The m third reflected light fluxes are individually focused by the m condensing lenses, and the m emission points are individually irradiated.
Multicolor detection, which is a luminous flux in which the m light beams individually focus the light emitted from the m light emitting points by the m condenser lenses and transmit the third dichroic mirror in parallel. Device.
m個の発光点が配列した発光点アレイの各発光点からの発光をそれぞれ個別に集光してm個の光束とするm個の集光レンズが配列した集光レンズアレイと,
少なくとも1個のセンサと,を備え,
前記m個の光束の少なくとも一部が前記センサにそれぞれ並列に入射され,
前記m個の発光点がそれぞれ有限サイズであり,
前記m個の発光点の有効径の平均をd,前記m個の集光レンズの焦点距離の平均をf,前記m個の集光レンズの有効径の平均をD,前記m個の光束の,前記m個の集光レンズと前記センサの間の光路長の平均をgとするとき,
f≦−0.20*(d/D)*g+2.8*D
を満足する多色検出装置。 Let m be any integer greater than or equal to 2
A condenser lens array in which m condenser lenses are arranged to individually collect light emitted from each emission point of the emission point array in which m emission points are arranged to obtain m luminous flux.
With at least one sensor,
At least a part of the m luminous flux is incident on the sensor in parallel, respectively.
Each of the m light emitting points has a finite size.
The average of the effective diameters of the m light emitting points is d, the average of the focal lengths of the m condenser lenses is f, the average of the effective diameters of the m condenser lenses is D, and the average of the m light beams. When the average optical path length between the m condenser lenses and the sensor is g,
f ≦ -0.20 * (d / D) * g + 2.8 * D
A multicolor detector that satisfies.
m個のキャピラリの少なくとも一部が同一平面上に配列したキャピラリアレイと,
前記同一平面上の前記m個のキャピラリからの発光を,それぞれ個別に集光してm個の光束とするm個の集光レンズが配列した集光レンズアレイと,
1個のセンサと,を備え,
前記m個の光束の少なくとも一部が前記センサに,再集光されずに,それぞれ並列に入射され,
前記同一平面と前記センサのセンサ面が互いに略平行である多色検出装置。 Let m be any integer greater than or equal to 2
A capillary array in which at least a part of m capillaries are arranged on the same plane,
A condensing lens array in which m condensing lenses are arranged to individually condense light emitted from the m capillaries on the same plane into m luminous fluxes.
Equipped with one sensor,
At least a part of the m luminous fluxes are incident on the sensor in parallel without being refocused.
A multicolor detection device in which the same plane and the sensor surface of the sensor are substantially parallel to each other.
前記センサが,異なる分光感度特性を有する複数種類の画素が2次元状に配列して構成されている多色検出装置。 In the multicolor detection device according to claim 20,
The sensor is a multicolor detection device in which a plurality of types of pixels having different spectral sensitivity characteristics are arranged two-dimensionally.
前記m個の集光レンズの有効径の平均をD,前記センサの画素サイズの平均をSとするとき,
S<D
を満足する多色検出装置。 In the multicolor detection device according to claim 21,
When the average of the effective diameters of the m condenser lenses is D and the average of the pixel sizes of the sensors is S,
S <D
A multicolor detector that satisfies.
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