JP2007285999A - 光測定装置 - Google Patents

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健 月井
Satoshi Sugiyama
聡 杉山
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Abstract

【課題】複数キャピラリに対して光を確実に照射でき、迷光ノイズの発生を防いで、小型化とコストダウンを図ることができる光測定装置を提供することを提供する。
【解決手段】検体を液体またはゲル内に分散させた測定対象Hが、複数の容器又は流路内にあり、各容器又は各流路ごとに光測定をするための光を照射する光測定装置1であって、光源20と、この光源20の光を各容器又は各流路の測定点ごとに1本以上の光ファイバ31を有する光ファイバアレイ30と、光ファイバ31ごとに分光するための光ファイバカプラ32とを備えることで、測定対象Hの光測定を行う。
【選択図】図2

Description

本発明は、測定対象の吸光や蛍光の光情報を測定をするための光測定装置に関し、特に試薬や生体試料のような検体を、液体またはゲル内に分散させた測定対象を複数のキャピラリ内に通す際に、各キャピラリの測定対象ごとに光測定をするための光を照射する光測定装置に関する。
生体高分子に関する研究は、臨床検査、創薬や環境・食品検査分野への展開等様々な対象に対して行なれているが、この生体高分子が持つ情報を蛍光を利用して高感度で解析するための装置が、ますます重視されている。
例えば、人ゲノムのような長大な塩基配列を持つDNAの塩基配列の決定をする際には、高感度で高速なDNA解析装置が必要となる。この種の装置としては、複数本のキャピラリを配列して、各キャピラリには泳動担体であるゲルを充填して通過させる構造のものが提案されている。複数本のキャピラリはライン状に配列されている。大面積の光源から照射光をライン状の照射することで、各キャピラリに対して一括して光を照射したり、レーザ光源の励起光ビームを走査することで、各キャピラリに対して順次照射するようになっている(例えば、特許文献1参照)。
特開平10−19846号公報
このように、複数本のキャピラリに対して光を照射して蛍光情報を多チャンネルで測定する場合に、大面積の光源で一括して光を照射したり、光を走査して照射すると、不必要な領域にまで光を照射してしまうので、この不必要な光が迷光ノイズになってしまい高感度化の妨げになる。また、各キャピラリに対してそれぞれ大型のレーザ光源を配置する構造では、高コスト化と大型化が避けられない。
そこで、本発明は上記課題を解消するために、複数キャピラリに対して光を確実に照射でき、迷光ノイズの発生を防いでの高感度化、及び小型化とコストダウンを図ることができる光測定装置を提供することを提供することを目的とする。
上記課題を解消するために、本発明の光測定装置は、検体を液体またはゲル内に分散させた測定対象が複数の容器又は流路内にあり、前記各容器又は前記各流路ごとに光測定をするための光を照射する光測定装置であって、
光源と、
前記光源の光を前記各容器又は前記各流路の測定点ごとに1本以上の光ファイバを有する光ファイバアレイと、
前記光ファイバごとに分光するための光ファイバカプラと、
を備えることを特徴とする。
また、本発明の光測定装置は、検体を液体またはゲル内に分散させた測定対象が複数の容器又は流路内にあり、前記各容器又は前記各流路ごとに光測定をするための光を照射する光測定装置であって、
光源と、
前記光源の光を、前記各容器又は前記各流路の測定点ごとに照射する回折光学素子と、
を備えることを特徴とする。
さらに、本発明の光測定装置は、検体を液体またはゲル内に分散させた測定対象が複数の容器又は流路内にあり、前記各容器又は前記各流路ごとに光測定をするための光を照射する光測定装置であって、
光源と、
前記光源の光を、前記各容器又は前記各流路の測定点ごとに照射可能な一ヶ所以上の光通過領域を有する光照射領域制限部と、
を備えることを特徴とする。
本発明の光測定装置は、好ましくは各前記光通過領域には、集光素子が配置されていることを特徴とする。
本発明の光測定装置は、好ましくは前記光源は、前記光通過領域を除いて反射材で覆われていることを特徴とする。
本発明の光測定装置は、好ましくは各前記光通過領域には、光の波長選択フィルタが配置されていることを特徴とする。
本発明の光測定装置は、好ましくは各前記光通過領域には、光の減衰フィルタが配置されていることを特徴とする。
本発明の光測定装置は、好ましくは前記光源は、発光ダイオードであることを特徴とする。
本発明の光測定装置によれば、複数キャピラリに対して光を確実に照射でき、迷光ノイズの発生を防いで高感度測定を可能とし、加えて、小型化とコストダウンを図ることができる。
以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を説明する。
(第1実施形態)
図1は、本発明の光測定装置の好ましい第1実施形態を示す斜視図である。図2は、図1に示す光測定装置の構成例を示す図である。
図1に示す光測定装置1は、一例として蛍光式キャピラリ電気泳動分析装置2に適用されている。
まず、電気泳動分析装置2の構成例を説明する。
電気泳動分析装置2は、複数本のキャピラリ(キャピラリチューブあるいは流路を有するチューブともいう)10と、バッファ槽11,12と、電源13を有している。
複数本のキャピラリ10は、断面円形状を有していて、配列方向Gに沿って一列状(ライン状)に配置されている。各キャピラリ10の一端部10Bは上部のバッファ槽11内に配置され、各キャピラリ10の他端部10Cは下部のバッファ槽12内に配置されている。なお、図1では、図面の簡単化のために、複数本のキャピラリ10の一部の図示を省略している。
キャピラリ10は、例えば一端部10Bから他端部10Cにかけて同じ内径を有するチューブであり、キャピラリ10の材質は蛍光を減衰しない透明な材質、例えば石英ガラスや透明のプラスチックにより作られている。
図1のバッファ槽11,12内には、バッファ液が入れてあり、このバッファ液はキャピラリ10内の液体またはゲルと接触する。この液体またはゲル内には、検体としての試薬または生体試料が分散されている。この液体またはゲルは、検体としての試薬または生体試料の泳動担体の役目を果たす。
バッファ槽11,12のバッファ液間には電源13からの泳動電圧が印加される。これにより、試薬または生体試料が分散されている液体またはゲルは、バッファ液により各キャピラリ10の一端部10Bから注入されて、電源13の泳動電圧により各キャピラリ10の他端部10C側へ、泳動方向Tに沿って泳動されるようになっている。泳動方向Tは、複数本のキャピラリ10の配列方向Gに対して直交する方向である。
次に、図1と図2に示す光測定装置1を説明する。
図1と図2に示す光測定装置1は、上述した検体を液体またはゲル内に分散させた測定対象を、複数のキャピラリ10内に泳動により泳動方向Tに沿って通す際に、各キャピラリ10内の測定対象ごとに蛍光測定をするための励起光を照射するための装置である。この測定対象は、図2の示すキャピラリ10内において符号Hで示している。
光測定装置1は、光源の一例である励起レーザ20と、この励起レーザ20の励起レーザ光21を、各キャピラリ10の測定対象Hに対して分光するための光ファイバアレイ30を有している。
図2では、図面の簡単化のために、光ファイバ3の一部分の図示を簡単化している。図2では、紙面垂直方向が泳動方向Tであり、各キャピラリ10は、その軸方向に対して垂直な面における断面により示している。
この例では、励起レーザ20は1つ用いており、例えば半導体レーザを使用することができる。光ファイバアレイ30は、複数本の光ファイバ31と光ファイバカプラ32を有している。光ファイバ31の本数は、キャピラリ10の本数と同じである。
光ファイバカプラ32は、励起レーザ20の励起レーザ光21を受光して各光ファイバ31に分光する。各光ファイバ31は、その先端部33から、対応する位置のキャピラリ10内の測定対象Hに対して、励起光Lを照射することができる。すなわち、光ファイバ10の励起光Lの照射方向は、泳動方向Tに対して垂直な方向である。各光ファイバ3が対応するキャピラリ10に対して確実に位置決めできるようにするために、各光ファイバ3は光ファイバホルダ35により、等間隔に保持されている。
また、図1に示すように、受光部40が、光ファイバホルダ35に対向する位置に配置されており、受光部40と光ファイバホルダ35の間には複数本のキャピラリ10が配置されている。受光部40は、図2に示す測定対象Hを通過した励起光Lを受光して、信号の処理部41に送る。これにより、処理部41は、各キャピラリ10内の測定対象Hの泳動波形データが得られ、測定対象Hに関する必要な蛍光情報の処理を行う。受光部40は、各キャピラリ10に対応する位置に例えば受光素子を配列することで構成することができる。
次に、光測定装置1を含む電気泳動分析装置2の動作例を説明する。
図1のバッファ槽11,12内には、バッファ液が入れてあり、このバッファ液はキャピラリ10内の液体またはゲルと接触する。この液体またはゲル内には、検体としての試薬または生体試料が分散されている。この液体またはゲルは、検体としての試薬または生体試料の泳動担体の役目を果たす。試薬または生体試料を含む液体またはゲルは、図2の測定対象Hである。測定対象Hは、蛍光物質で予め標識されている。
例えば、試薬としてはDNAであり、生体試料としては細胞である。例えば液体としては懸濁液や希釈液である。
図1のバッファ槽11,12のバッファ液間には電源13からの泳動電圧が印加される。これにより、図2の測定対象Hは、各キャピラリ10の一端部10Bから注入されて、電源13の泳動電圧により各キャピラリ10の他端部10C側へ、泳動方向Tに沿って泳動される。
図2の励起用のレーザ20は、連続光あるいはパルス光として励起レーザ光21を発生して、この励起レーザ光21は光ファイバカプラ32により光ファイバアレイ30の各光ファイバ31に分光される。各光ファイバ31は、その先端部33から対応する位置のキャピラリ10内の測定対象Hに対して、励起光Lを照射することができる。
光ファイバ10の励起光Lの照射方向は、泳動方向Tに対して垂直な方向であり、各光ファイバ3が対応するキャピラリ10に対して、光ファイバホルダ35により確実に位置決めできることから、光ファイバ10の励起光Lは確実にキャピラリ10内の測定対象Hに対して照射できる。この励起光Lの照射の際には、各光ファイバ31の端面から直接キャピラリ10に照射しても良いし、集光素子を介して照射しても良い。
照射した励起光Lは、測定対象Hの蛍光を発生させて、その蛍光情報は図1の受光部40により受光して、処理部41で処理することで、測定対象Hの蛍光測定を行う。
図1と図2に示す本発明の光測定装置の第1実施形態では、単一のレーザ20と光ファイバアレイ30を用いることで、簡単な構成ながら、光がキャピラリ10以外の部分に漏れることなく、集積された複数のキャピラリ10に対して、それぞれ独立して光を確実に照射することができる。このため、本発明の光測定装置の第1実施形態は、複数キャピラリに対して光を確実に照射でき、迷光ノイズの発生を防いで高感度測定を可能とし、加えて小型化とコストダウンを図ることができる。
本発明の光測定装置は、検体を液体またはゲル内に分散させた測定対象が複数の容器又は流路内にあり、各容器又は各流路ごとに光測定をするための光を照射するが、光源と、この光源の光を各容器又は各流路の測定点ごとに1本以上の光ファイバを有する光ファイバアレイと、光ファイバごとに分光するための光ファイバカプラと、を備えるようにしてもよい。
(第2実施形態)
次に、図3と図4を参照して、本発明の光測定装置の第2実施形態を説明する。
図3は、本発明の光測定装置の好ましい第2実施形態を示す斜視図である。図4は、図3に示す光測定装置の構成例を示す図である。
図3に示す光測定装置101は、蛍光式キャピラリ電気泳動分析装置2に適用されているが、この電気泳動分析装置2は、図1の電気泳動分析装置2と同じ構造であるので、その説明を援用する。
図3と図4に示す光測定装置101は、図2の光測定装置1の構造とは異なり、光源の一例である複数の発光ダイオード(LED)70と、回折光学素子(DOE)71およびサポート部材72を有している。
各発光ダイオード70は、サポート部材72により、各キャピラリ10に対応する位置に配置されている。回折光学素子71は、各キャピラリ10と各発光ダイオード70の間に配置されており、各発光ダイオード70が発生する励起光Lを各キャピラリ10内に、高効率で集光して照射することができる。各発光ダイオード70が発生する励起光Lは、インコヒーレント光なので、レンズなどの光学素子では高効率な集光が困難である。
各発光ダイオード70の励起光Lは、回折光学素子71により、それぞれ対応するキャピラリ10に照射することで、簡単な構成ながら各キャピラリ10内の測定対象Hの蛍光測定が行え、複数本のキャピラリ10に対して光を確実に照射でき、迷光ノイズの発生を防いで高感度測定を可能とし、加えて、小型化とコストダウンを図ることができる。
本発明の光測定装置は、検体を液体またはゲル内に分散させた測定対象が複数の容器又は流路内にあり、各容器又は各流路ごとに光測定をするための光を照射するが、光源と、光源の光を、各容器又は各流路の測定点ごとに照射する回折光学素子と、を備えるようにしてもよい。
(第3実施形態)
次に、図5を参照して、本発明の光測定装置の第3実施形態を説明する。
図5に示す光測定装置101は、図3に示す光測定装置101に換えて使用することができ、図3に示す電気泳動分析装置2に適用できる。
図5の光測定装置101は、複数の光源80と、光照射領域制限部90およびホルダ91を有している。光源80は、例えば発光ダイオード(LED)を採用でき、各キャピラリ10に対応する位置にホルダ91により保持されている。このホルダ91は、透明なプラスチックあるいはガラスにより作られている。ホルダ91の周囲であって、複数の光源80の後方側と側方には反射材92が形成されている。
光照射領域制限部90は、ホルダ91の面に配置された例えばプレート状の光不透過部材であり、光源80の励起光Lを透過せずに制限する。しかし、光照射領域制限部90には、複数のピンホール94が、光源80とキャピラリ10の間において、光源80とキャピラリ10に対応する位置に形成されている。
これらのピンホール94は、光源80の励起光Lを通過させるための光通過領域に相当する物理的に形成されている穴である。光源80の励起光Lは、光照射領域制限部90と反射材92により外部に出るのを制限されるので、複数キャピラリに対して光を確実に照射でき、迷光ノイズの発生を防いで高感度測定を可能とする。また、光測定装置101の小型化とコストダウンを図ることができる。
本発明の光測定装置は、検体を液体またはゲル内に分散させた測定対象が複数の容器又は流路内にあり、前記各容器又は前記各流路ごとに光測定をするための光を照射するが、光源と、この光源の光を、各容器又は各流路の測定点ごとに照射可能な一ヶ所以上の光通過領域を有する光照射領域制限部と、を備えるようにしてもよい。
(第4実施形態)
次に、図6を参照して、本発明の光測定装置の第4実施形態を説明する。
図6に示す光測定装置101では、図5に示す光測定装置101の構成要素と同じ構成要素には同じ符号を記している。図6に示す光測定装置101で異なる点は、ピンホール94には、波長選択フィルタ105が配置されていることである。これにより、光源80の励起光Lは、光の波長選択フィルタ105を通過することで、任意の波長の励起光Lをキャピラリ10に照射することができる。各波長選択フィルタ105の波長選択領域は同じであっても良く、あるいは互いに異なるようにしても良い。
これらの複数の異なる波長の励起光により、複数キャピラリに対して異なる蛍光の測定が可能となり、高情報化を図る事ができる。
(第5実施形態)
次に、図7を参照して、本発明の光測定装置の第5実施形態を説明する。
図7に示す光測定装置101では、図5に示す光測定装置101の構成要素と同じ構成要素には同じ符号を記している。図7に示す光測定装置101で異なる点は、ピンホール94には、減衰フィルタ(NDフィルタ)110が配置されていることである。これにより、光源80の励起光Lのパワーは、減衰フィルタ110を通過することで減衰でき、任意の強度の励起光Lをキャピラリ10に照射することができる。各減衰フィルタ110が励起光Lを減衰する能力は、同じであっても良く、あるいは必要に応じて互いに変えて配置することも可能である。
これらの複数の異なる強度の照射光により、複数キャピラリに対して異なる条件の光測定が可能となり、高情報化を図る事ができる。
(第6実施形態)
次に、図8を参照して、本発明の光測定装置の第6実施形態を説明する。
図8に示す光測定装置101では、図5に示す光測定装置101の構成要素と同じ構成要素には同じ符号を記している。図8に示す光測定装置101で異なる点は、ピンホール94には、集光素子120が配置されている。この集光素子120は、レンズであっても良いし、回折光学素子(DOE)であっても良い。これにより、励起光Lは集光されてキャピラリ10に照射することができる。
(第7実施形態)
次に、図9を参照して、本発明の光測定装置の第7実施形態を説明する。
図8に示す光測定装置101では、図5に示す光測定装置101の構成要素と同じ構成要素には同じ符号を記している。図8に示す光測定装置101で異なる点は、1つの光源80がホルダ91に保持されており、光源80は全方向に励起光Lを発生することで、励起光Lは反射材92により反射されて、ピンホール94を通じてキャピラリ10に照射することができる。光照射領域制限部90がピンホール94以外の領域では励起光Lを透過しないことは、各実施形態において同じである。
(他の実施形態)
図10は、他の実施形態を示しており、図4の実施形態に対して、さらに光の遮蔽板170が各キャピラリ10の間に配置されている。これにより、各キャピラリ10における照射光と測定対象から発する蛍光が、対象となるキャピラリ10以外へは照射されないようになっている。
図11の実施形態は、回折光学素子71Rと励起レーザ20を用いた例であり、励起レーザ20の光Lは、回折光学素子71Rにより、それぞれキャピラリ10へ照射される。
図12の実施形態は、図2の実施形態とは異なり、キャピラリ10の断面形状が矩形になっている。
断面が円形のキャピラリ10の直径は、例えば0.1mmであり、断面が矩形のキャピラリ10の一辺の長さは、例えば0.1mmである。ピンホールを有する部材の厚みは、例えば1mmであり、ピンホールなどの光透過領域の直径は、例えば0.1mmである。ピンホールの形成ピッチは、例えば0.3mmであり、キャピラリ10と基板である例えば図2に示す光ファイバホルダ35の距離は、好ましくはゼロであり、接触している。
上述したように、本発明の光測定装置の各実施形態は、複数のキャピラリに対して光を確実に照射でき、迷光ノイズの発生を防いで、小型化とコストダウンを図ることができる。特に、光源の励起光Lは、複数本の光ファイバを通じて、対応するキャピラリ10内の測定対象Hに対して確実に照射することができる。
また、光源の励起光Lは、光照射領域制限部90と反射材92により外部に漏れることが無く、光照射領域制限部90のピンホール94,集光素子、減衰フィルタ、波長選択フィルタを通じて、対応するキャピラリ10内の測定対象Hに対して確実に照射することができる。
蛍光を用いて測定対象Hの光計測する場合に、蛍光を励起するための励起光源が必要であるが、励起光強度と励起光の照射径を適正に確保して、複数本のキャピラリ10に対して測定対象Hを移動させ、測定点の複数化を図ることで、測定対象Hの光測定の多チャンネル化を実現している。これにより、各測定点に対応した励起光の高密度照射が行える。
図13は、他の例を示しており、多ウェルプレートと呼ばれる容器200の凹部201には、測定対象Hが収容されており、発光ダイオード201の光Lが回折光学素子202を介して照射されている。この場合、照射光を時間的に変えても、または、容器と照射光の相対位置を変化させて測定しても良い。すなわち、必ずしも多ウェルプレートのウェル全数ごとに、あらかじめ光源を用意しなくとも、たとえば複数の照射光を複数のウェルに照射して、次にこの複数の照射光をさらに次の複数のウェルに照射することで、各測定点ごとの照射が、時間的に分けて行うことが可能である。
図14の例は、キャピラリ10における流れ方向である泳動方向Tに沿って、複数の光測定ができるように、例えば4つの光源240からキャピラリ10に沿って光Lが照射されている。この場合に、光照射流域制限部90のピンホール94には、波長選択フィルタや減衰フィルタを配置することができる。キャピラリが複数の場合、各キャピラリに対して同様の構成をしても良い。
図15(A)では、図1と図3の示す例と同様に、光測定装置101の発光部側とは反対の位置に検出部(受光部)40が配置されている。図15(B)では、光測定装置101の発光部側とは反対の位置と同じ側に受光部40が配置されている。さらに図15(C)では、光測定装置101の発光部側とは反対の位置であって、しかもキャピラリ10の側方に配置されている。
本発明は、上記実施形態に限定されず、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で種々の変形例を採用することができる。
上述した本発明の各実施形態において、測定対象Hは、サンプルと呼ぶこともできる。
例えば、図示例では、本発明の光測定装置が、蛍光式キャピラリ電気泳動分析装置2に適用されているが、これに限らず例えばフローサイトメータ(FCM)などの他の種類の機器に対して適用することができる。
光照射領域制限部90の光通過領域は、図示したように物理的な穴であっても、光学的に光を通過させる領域であっても良い。上述した各実施形態は、互いに組み合わせて構成することが可能である。
本発明の光測定装置は、蛍光測定に限らず、吸光度測定にも適用できる。
本発明は、遺伝子、免疫系、タンパク質、アミノ酸、糖類の生体高分子に関する検査、解析、分析が要求される分野、例えば工学分野、食品、農産、水産加工等の農学全般、薬学分野、衛生、保健、免疫、疫病、遺伝等の医学分野、化学もしくは生物学等の理学分野等、あらゆる分野に適用できる。
本発明の光測定装置の好ましい第1実施形態を示す斜視図である。 図1の光測定装置の構成例を示す図である。 本発明の光測定装置の好ましい第2実施形態を示す斜視図である。 図3の光測定装置の構成例を示す図である。 本発明の光測定装置の第3実施形態を示す図である。 本発明の光測定装置の第4実施形態を示す図である。 本発明の光測定装置の第5実施形態を示す図である。 本発明の光測定装置の第6実施形態を示す図である。 本発明の光測定装置の第7実施形態を示す図である。 本発明の光測定装置の他の実施形態を示す図である。 本発明の光測定装置の他の実施形態を示す図である。 本発明の光測定装置の他の実施形態を示す図である。 本発明の光測定装置の他の実施形態を示す図である。 本発明の光測定装置の他の実施形態を示す図である。 本発明の光測定装置の他の実施形態を示す図である。
符号の説明
1 光測定装置
2 電気泳動分析装置
10 キャピラリ
20 励起用のレーザ
30 光ファイバアレイ
31 光ファイバ
32 光ファイバカプラ
70 発光ダイオード
71 回折光学素子
80 光源
90 光照射領域制限部
91 ホルダ
92 反射材
94 ピンホール
105 波長選択フィルタ
110 減衰フィルタ
120 集光素子
G キャピラリの配列方向
T 測定対象の泳動方向
H 測定対象
L 励起光

Claims (8)

  1. 検体を液体またはゲル内に分散させた測定対象が複数の容器又は流路内にあり、前記各容器又は前記各流路ごとに光測定をするための光を照射する光測定装置であって、
    光源と、
    前記光源の光を前記各容器又は前記各流路の測定点ごとに1本以上の光ファイバを有する光ファイバアレイと、
    前記光ファイバごとに分光するための光ファイバカプラと、
    を備えることを特徴とする光測定装置。
  2. 検体を液体またはゲル内に分散させた測定対象が複数の容器又は流路内にあり、前記各容器又は前記各流路ごとに光測定をするための光を照射する光測定装置であって、
    光源と、
    前記光源の光を、前記各容器又は前記各流路の測定点ごとに照射する回折光学素子と、
    を備えることを特徴とする光測定装置。
  3. 検体を液体またはゲル内に分散させた測定対象が複数の容器又は流路内にあり、前記各容器又は前記各流路ごとに光測定をするための光を照射する光測定装置であって、
    光源と、
    前記光源の光を、前記各容器又は前記各流路の測定点ごとに照射可能な一ヶ所以上の光通過領域を有する光照射領域制限部と、
    を備えることを特徴とする光測定装置。
  4. 各前記光通過領域には、集光素子が配置されていることを特徴とする請求項3に記載の光測定装置。
  5. 前記光源は、前記光通過領域を除いて反射材で覆われていることを特徴とする請求項3に記載の光測定装置。
  6. 各前記光通過領域には、光の波長選択フィルタが配置されていることを特徴とする請求項3ないし5のいずれか1つの項に記載の光測定装置。
  7. 各前記光通過領域には、光の減衰フィルタが配置されていることを特徴とする請求項3ないし5のいずれか1つの項に記載の光測定装置。
  8. 前記光源は、発光ダイオードであることを特徴とする請求項2ないし7のいずれか1つの項に記載の光測定装置。

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