DE112021007554T5

DE112021007554T5 - Multikapillarelektrophoresevorrichtung

Info

Publication number: DE112021007554T5
Application number: DE112021007554.3T
Authority: DE
Inventors: Takashi Anazawa; Motohiro Yamazaki; Ryoji Inaba; Shuhei Yamamoto
Original assignee: Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2021-07-27
Filing date: 2021-07-27
Publication date: 2024-04-18
Also published as: GB202400135D0; US20240295527A1; CN117581090A; GB2623012A; WO2023007567A1; JPWO2023007567A1

Abstract

Bei einem Instrument, das ausgelegt ist, von mehreren Kapillaren emittierte Fluoreszenzen spektroskopisch zu unterteilen und die Fluoreszenzen unter Verwendung eines Bildsensors gemeinsam zu messen, erfüllen, wenn die Anzahl der Pixel eines Binning-Gebiets auf dem Bildsensor, worauf eine vorbestimmte Wellenlängenbandkomponente jeder Fluoreszenz projiziert wird, als Bmbezeichnet ist, die Anzahl der Pixel des Hardware-Binnings als Bhbezeichnet ist, die Anzahl der Pixel des Software-Binnings als Bsbezeichnet ist, Bm= Bh× Bs, ist, das in einem Fall, in dem Bm= Bh= Bs= 1 ist, gemessene Gesamtrauschen als N bezeichnet ist, das Ausleserauschen als Nrbezeichnet ist, das Dunkelstromrauschen als Ndbezeichnet ist und das Schrotrauschen als Nsbezeichnet ist, Bm, Bh, Bs, N, Nr, Ndund Nseine vorbestimmte Beziehung, wodurch bei einer Fluoreszenzmessung eine hohe Empfindlichkeit und ein hoher Dynamikbereich verwirklicht werden.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Multikapillarelektrophoreseinstrument.
Technischer Hintergrund
Ein Kapillarelektrophoreseinstrument, bei dem eine einzige oder mehrere Kapillaren mit einem elektrophoretischen Trennmedium in der Art einer Elektrolytlösung oder einer ein Polymergel oder ein Polymer enthaltenden Elektrolytlösung gefüllt sind und eine elektrophoretische Analyse ausgeführt wird, wird weit verbreitet verwendet. Es wird ein breiter Bereich von Zielen von kleinen Molekülen bis hin zu Makromolekülen in der Art von Proteinen und Nukleinsäuren analysiert. Es gibt viele Messmodi in der Art eines Modus, in dem ein Lichtabsorptionspunkt jeder Kapillare mit Lampenlicht bestrahlt wird und die Absorption des Lampenlichts erfasst wird, die auftritt, wenn das Analyseziel durch den Lichtabsorptionspunkt hindurchtritt, und eines Modus, in dem ein lichtemittierender Punkt jeder Kapillare mit einem Laserstrahl bestrahlt wird und die Fluoreszenz oder das Streulicht erfasst wird, die oder das induziert wird, wenn das Analyseziel durch den lichtemittierenden Punkt hindurchtritt. Nachstehend wird ein Kapillarelektrophoreseinstrument für die DNA-Analyse detailliert als Beispiel beschrieben.
Beim Kapillarelektrophoreseinstrument für die DNA-Analyse fällt ein Laserstrahl senkrecht auf jede Achse von E (E ist eine natürliche Zahl von 1 oder größer) Kapillaren, die in derselben Ebene angeordnet sind, und bestrahlt sie gleichzeitig. Dadurch werden E lichtemittierende Punkte, die auf einer geraden Linie angeordnet sind, auf den in derselben Ebene angeordneten E Kapillaren gebildet. Wenn mit G (G ist eine natürliche Zahl von 1 oder größer) Fluorophortypen markierte DNA-Fragmente bei der Elektrophorese durch jeden lichtemittierenden Punkt auf jeder Kapillare hindurchtreten, werden die Fluorophore durch Bestrahlung mit dem Laserstrahl angeregt und emittieren Fluoreszenz. Weil diese G Fluorophortypen voneinander verschiedene Fluoreszenzspektren aufweisen, kann der Typ eines durch den lichtemittierenden Punkt hindurchtretenden Fluorophors durch spektroskopisches Messen seiner Fluoreszenz identifiziert werden. Daher werden beim Kapillarelektrophoreseinstrument für die DNA-Analyse von den E auf der geraden Linie angeordneten lichtemittierenden Punkten emittierte Fluoreszenzen gleichzeitig und spektroskopisch gemessen und werden ferner ihre zeitlichen Änderungen gemessen. Um dies zu verwirklichen, ist das Kapillarelektrophoreseinstrument für die DNA-Analyse mit dem folgenden optischen Mehrfarberfassungssystem versehen. Von den E lichtemittierenden Punkten emittierte Fluoreszenzen werden von einer ersten Kameralinse gemeinsam kollimiert, und Licht mit einer Laserwellenlänge wird durch ein Langpassfilter abgetrennt. Dann werden E kollimierte Fluoreszenzen durch ein Transmissionsbeugungsgitter entsprechend der Wellenlänge dispergiert und werden auf einem Bildsensor durch eine zweite Kameralinse E wellenlängendispergierte Bilder erzeugt. Als Bildsensor kann ein CCD-Bildsensor, ein CMOS-Bildsensor oder ein anderer Typ eines Bildsensors verwendet werden. Hier verläuft die Richtung der Wellenlängendispersion am lichtemittierenden Punkt parallel zur Längsachse jeder Kapillare, d. h. senkrecht zur Richtung, in der die lichtemittierenden Punkte angeordnet sind. Auf dem Bildsensor werden die E wellenlängendispergierten Bilder der Fluoreszenzen von den E lichtemittierenden Punkten parallel zueinander angeordnet, ohne miteinander gemischt zu werden. Daher kann die Fluoreszenz von jedem lichtemittierenden Punkt unabhängig spektroskopisch gemessen werden. Der Bildsensor wird so angeordnet, dass eine Achse der zweidimensionalen Gitteranordnung der Pixel des Bildsensors parallel zur Wellenlängendispersionsrichtung ist und die andere Achse parallel zur Anordnungsrichtung der lichtemittierenden Punkte ist. Dadurch ergibt die Intensitätsverteilung eines Pixelfelds entlang dem entsprechenden wellenlängendispergierten Bild ein Fluoreszenzspektrum des Fluorophors. Eine gemeinsame Erfassung der E wellenlängendispergierten Bilder durch den Bildsensor geschieht mit einer konstanten Belichtungszeit, und das vorstehend Erwähnte wird in konstanten Zeitintervallen kontinuierlich wiederholt. Daher ist es möglich, Zeitreihen von Signalintensitäten von Fluoreszenzen, die von den E lichtemittierenden Punkten emittiert werden, zu messen, während ihre Spektralanalyse ausgeführt wird.
Jedes wellenlängendispergierte Bild wird in F Wellenlängenbänder (nachstehend als Bins bezeichnet) unterteilt, und von mehreren Pixeln, die jedem Bin entsprechen, empfangene Signalintensitäten werden jeweils integriert. Eine solche Integration wird als Binning bezeichnet. Dies wird als F-Farberfassung bezeichnet. Die Wellenlängenbreite jedes Wellenlängenbands kann 1 nm, 10 nm oder 100 nm sein und beliebig festgelegt werden. Die Wellenlängenbreite kann in jedem der F Wellenlängenbänder anders sein. Im Allgemeinen muss zur Identifikation und Quantifizierung der G Fluorophortypen F ≥ G sein. Zu jeder Zeit in der Zeitreihe wird eine Farbwandlung an den Ergebnissen der F-Farberfassung ausgeführt und kann die individuelle Fluoreszenzintensität von jedem der G Fluorophortypen entsprechend der Konzentration von jedem der G Fluorophortypen erfasst werden. In der vorliegenden Offenbarung ist die Fluoreszenzintensität jedes Fluorophors proportional zur Konzentration jedes Fluorophors, so dass die individuelle Fluoreszenzintensität jedes Fluorophors einfach als Konzentration jedes Fluorophors bezeichnet wird.
Für jeden lichtemittierenden Punkt P(e) (e = 1, 2, ... und E) wird die emittierte Fluoreszenz jedes Fluorophors D(g) (g = 1, 2, ... und G) in jedem Bin W(f) (f = 1, 2, ... und F) erfasst. Zu einer beliebigen Zeit ist die Konzentration des Fluorophors D(g) am lichtemittierenden Punkt P(e) Z(g) und ist die im Bin W(f) für den lichtemittierenden Punkt P(e) integrierte Signalintensität X(f). Hier gelten die folgenden Ausdrücke (1) bis (4), wobei X ein Vektor von F Zeilen und 1 Spalte mit F Signalintensitäten X(f) als Elemente ist, Z ein Vektor von G Zeilen und 1 Spalte mit G Konzentrationen Z(g) als Elemente ist und Y eine Matrix von F Zeilen und G Spalten mit F × G Elementen von Y(f)(g) ist. Die Ausdrücke (1) bis (4) sind relationale Ausdrücke von (f) und (g), jedoch nicht der relationale Ausdruck von (e), und sie werden für jeden lichtemittierenden Punkt P(e) unabhängig hergeleitet. Im Fall einer monochromatischen Erfassung, bei der F = 1 ist, wird G = 1 durch F ≥ G erhalten, und X, Y und Z sind weder ein Vektor noch eine Matrix.

[Ausdruck 1] $X = Y \times Z$

[Ausdruck 2] $X = (\begin{matrix} X (1) \\ ⋮ \\ X (F) \end{matrix})$

[Ausdruck 3] $Y = (\begin{matrix} Y (1) (1) & \dots & Y (1) (G) \\ ⋮ & ⋱ & ⋮ \\ Y (F) (1) & \dots & Y (F) (G) \end{matrix})$

[Ausdruck 4] $Z = (\begin{matrix} Z (1) \\ ⋮ \\ Z (G) \end{matrix})$
Hier repräsentiert jedes Element Y(f)(g) der Matrix Y von F Zeilen und G Spalten ein Signalintensitätsverhältnis der in jedem Bin W(f) erfassten emittierten Fluoreszenz jedes Fluorophors D(g) auf der Grundlage des spektralen Übersprechens. F Elemente Y(f)(g₀) (f = 1, 2, ... und F) einer Spalte der Matrix Y können bestimmt werden, indem der eine Fluorophortyp D(g₀) allein veranlasst wird, Fluoreszenz zu emittieren. Weil es im Allgemeinen schwierig ist, die Konzentration des Fluorophors D(g₀) streng zu kontrollieren, ist es zweckmäßig, die F Elemente Y(f)(g₀) in der einen Spalte zu normieren. Beispielsweise kann das größte der F Elemente auf 1 gesetzt werden und können die anderen Elemente durch Verhältnisse in Bezug auf das größte Element angegeben werden. Alternativ können die F Elemente so bestimmt werden, dass die Gesamtheit der F Elemente 1 wird. Das heißt, dass der folgende Ausdruck (5) bevorzugt ist.

[Ausdruck 5] $\sum_{f = 1}^{F} Y (f) (g_{0}) = 1$
Dann können alle Spalten der Matrix Y durch individuelles Ausführen des vorstehenden Prozesses für alle G Fluorophortypen D(g) bestimmt werden. Die Matrix Y hängt nur von den Eigenschaften der Fluorophore D(g) und der Bins W(f) ab und ändert sich während einer elektrophoretischen Analyse nicht. Solange die Bedingungen des optischen Systems, des Fluorophors D(g), des Bins W(f) und dergleichen fest sind, wird die Matrix Y selbst für verschiedene elektrophoretische Analysen konstant gehalten. Daher werden für jeden lichtemittierenden Punkt die Konzentrationen Z(g) der Fluorophore D(g) zu jedem Zeitpunkt anhand der Signalintensitäten X(f) in den Bins W(f) zu jedem Zeitpunkt durch den folgenden Ausdruck (6) erhalten.

[Ausdruck 6] $Z = Y^{-} \times X$
Hier ist Y^- die allgemeine inverse Matrix von Y mit G Zeilen und F Spalten und wird durch Y^- = (Y^T × Y)^-1 × Y^T) erhalten. Wenn die Matrix Y eine quadratische Matrix mit F = G ist, ist Y^- gleich einer inversen Matrix Y^-1. Der Vorgang nach Ausdruck (6) wird als Farbwandlung oder Aufheben des spektralen Übersprechens bezeichnet. Ausdruck (1) besteht aus simultanen Gleichungen, die Beziehungen zwischen den unbekannten Konzentrationen der G Fluorophortypen und den bekannten F Farbfluoreszenzintensitäten angeben, und Ausdruck (6) entspricht dem Erhalten der Lösung der simultanen Gleichungen. Daher ist im Allgemeinen, wie vorstehend beschrieben, eine Bedingung F ≥ G erforderlich. Falls F < G ist, kann die Lösung nicht eindeutig erhalten werden (d. h. es kann mehrere Lösungen geben), so dass die Farbwandlung nicht wie in Ausdruck (6) ausgeführt werden kann.
Es kann auch ein optisches Mehrfarberfassungssystem verwendet werden, das keine Wellenlängendispersion verwendet. Beispielsweise wird in Patentliteratur 1 die von jedem von E lichtemittierenden Punkten emittierte Fluoreszenz durch jede von E Linsen individuell kollimiert, um einen Lichtfluss zu bilden, werden Lichtbestandteile mit einer Laserwellenlänge durch ein Langpassfilter abgeschnitten und wird dann jeder Lichtfluss durch ein Feld von F dichroitischen Spiegeln in F Farblichtflüsse unterteilt. Danach werden Bilder der F Farblichtflüsse für jeden der E lichtemittierenden Punkte auf dem Bildsensor erzeugt. Hier verläuft die Teilungsrichtung parallel zur Längsachse jeder Kapillare, d. h. senkrecht zur Richtung, in der die lichtemittierenden Punkte angeordnet sind. Dadurch werden E × F mehrfarbige unterteilte Bilder zweidimensional auf dem Bildsensor angeordnet, ohne miteinander gemischt zu werden. Die Fluoreszenz von jedem lichtemittierenden Punkt kann unabhängig spektroskopisch gemessen werden. Der Lichtsensor wird so angeordnet, dass die Teilungsrichtung parallel zu einer Achse der zweidimensionalen Gitteranordnung der Pixel des Bildsensors verläuft und die Richtung der Anordnung der lichtemittierenden Punkte parallel zur anderen Achse verläuft. Das gemeinsame Erzeugen der E × F unterteilten Bilder durch den Bildsensor wird mit einer konstanten Belichtungszeit und konstanten Zeitintervallen kontinuierlich wiederholt, so dass Zeitreihenänderungen davon erfasst werden können, während die spektrale Analyse der Fluoreszenzen von den E lichtemittierenden Punkten ausgeführt wird. Mehrere Pixel, auf denen die jeweiligen F unterteilten Bilder erzeugt werden, werden definiert, und die Signalintensitäten der mehreren Pixel werden integriert. Ähnlich dem eine Wellenlängendispersion verwendenden optischen Mehrfarberfassungssystem wird ein Pixelgebiet der mehreren Pixel als Bin bezeichnet und wird die Integration der Signalintensitäten innerhalb des Pixelgebiets als Binning bezeichnet. In jedem der E × F unterteilten Bilder kann es ein Gebiet geben, das in keinem Bin enthalten ist. Die anderen Konfigurationen ähneln jenen des eine Wellenlängendispersion verwendenden optischen Mehrfarberfassungssystems, und die Ausdrücke (1) bis (6) werden ähnlich hergeleitet. Nachstehend wird ein Fall untersucht, in dem ein eine Wellenlängendispersion verwendendes optisches Mehrfarberfassungssystem verwendet wird, es kann jedoch ähnlich auch ein Fall untersucht werden, in dem ein keine Wellenlängendispersion verwendendes optisches Mehrfarberfassungssystem, wie vorstehend beschrieben, verwendet wird.
Wie vorstehend beschrieben, wird die Signalintensität X(f) des Bins W(f) durch Integrieren (Binning) der Signalintensitäten der einzelnen den Bin W(f) bildenden Pixel erhalten. Die Anzahl der den Bin W(f) bildenden Pixel wird als B_m(f) bezeichnet. B_m(f) ist eine natürliche Zahl von 1 oder größer. Wenn die Signalintensität eines den Bin W(f) bildenden Pixels j (j = 1, 2, ... und B_m(f)) Q(j) ist, wird die Signalintensität X(f) des Bins W(f) durch den folgenden Ausdruck (7) ausgedrückt.

[Ausdruck 7] $X (f) = \sum_{j = 1}^{B_{m} (f)} Q (j)$
Integrationsverfahren (Binning-Verfahren) umfassen Hardware-Binning und Software-Binning. Ausdruck (7) ist beiden Binning-Verfahren gemeinsam. Das Hardware-Binning ist ein Verfahren, bei dem in B_m(f) Pixeln angesammelte elektrische Ladungen auf einem Bildsensor summiert werden, dann in eine Spannung gewandelt werden und einer AD-Wandlung unterzogen werden, um eine Signalintensität X(f) zu erhalten. Andererseits ist das Software-Binning ein Verfahren, bei dem individuelle Signalintensitäten von B_m(f) Pixeln an einer Schaltung oder einem Computer summiert werden, um eine Signalintensität X(f) zu erhalten. Insbesondere werden beim Software-Binning in jedem der B_m(f) Pixel angesammelte elektrische Ladungen in eine Spannung gewandelt und einer AD-Wandlung unterzogen, um jede Signalintensität zu erhalten. Dann werden die Signalintensitäten der B_m(f) Pixel an einem Computer integriert, um die Signalintensität X(f) zu erhalten. Wie später beschrieben wird, kann die Signalintensität X(f) durch Kombinieren eines Hardware-Binnings und eines Software-Binnings erhalten werden. Es ist allgemein bekannt, dass das Hardware-Binning verglichen mit dem Software-Binning für eine sehr empfindliche Messung geeignet ist, weil das Ausleserauschen verringert werden kann und die Empfindlichkeit verbessert werden kann. Das Hardware-Binning ist insbesondere dann, wenn schwaches Licht in der Dunkelheit gemessen wird, ein sehr vorteilhaftes Verfahren. Verglichen mit dem Software-Binning kann das Hardware-Binning die Zeit für das Auslesen der Signalintensität X(f) des Bins W(f) verkürzen und ist demgemäß für eine Hochgeschwindigkeitsbildgebung geeignet. Andererseits ist bekannt, dass der Dynamikbereich beim Hardware-Binning geringer als beim Software-Binning ist, weil das Sättigungsniveau der von einem lichtemittierenden Punkt emittierten Lichtmenge verringert ist. Daher kann der Dynamikbereich auf Kosten der Empfindlichkeit erhöht werden, indem das Software-Binning anstelle des Hardware-Binnings verwendet wird. Bei einem gegenwärtig im Handel erhältlichen Kapillarelektrophoreseinstrument für die DNA-Analyse ist die Empfindlichkeit wichtiger als der Dynamikbereich. Demgemäß wird die Signalintensität X(f) nicht durch Software-Binning, sondern durch Hardware-Binning erhalten. In den letzten Jahren benötigen Kapillarelektrophoreseinstrumente für die DNA-Analyse jedoch in zunehmendem Maße sowohl Empfindlichkeit als auch Dynamikbereich. Um dies zu verwirklichen, wurden verschiedene bekannte Techniken entwickelt, die nachstehend beschrieben werden.
In Patentliteratur 2 werden bei der Bildgebung durch einen Bildsensor, statt dass eine konstante Belichtungszeit wiederholt wird, wie vorstehend beschrieben, eine lange Belichtungszeit und eine kurze Belichtungszeit alternierend wiederholt. Unter der Bedingung, dass die von einem lichtemittierenden Punkt emittierte Fluoreszenzmenge konstant ist, empfängt der Bildsensor in einer langen Belichtungszeit mehr Fluoreszenz, so dass die Empfindlichkeit verbessert wird. Umgekehrt wird in einer kurzen Belichtungszeit weniger Fluoreszenz empfangen, so dass die Empfindlichkeit abnimmt. Das Sättigungsniveau der vom lichtemittierenden Punkt emittierten Fluoreszenzmenge nimmt jedoch zu. Das heißt, dass eine lange Belichtungszeit als Modus hoher Empfindlichkeit wirkt und dass eine kurze Belichtungszeit als Modus geringer Empfindlichkeit wirkt. Wenn die vom lichtemittierenden Punkt emittierte Fluoreszenzmenge gering ist, kann die emittierte Fluoreszenz im Modus geringer Empfindlichkeit beispielsweise nicht erfasst werden, sie kann jedoch im Modus hoher Empfindlichkeit gut gemessen werden. Wenn die vom lichtemittierenden Punkt emittierte Fluoreszenzmenge andererseits hoch ist, übersteigt die emittierte Fluoreszenz das Sättigungsniveau im Modus hoher Empfindlichkeit, so dass die emittierte Fluoreszenz nicht vorteilhaft gemessen werden kann. Die emittierte Fluoreszenz kann jedoch im Modus geringer Empfindlichkeit vorteilhaft gemessen werden. Daher können durch Kombinieren des Modus hoher Empfindlichkeit und des Modus geringer Empfindlichkeit anders als im Fall eines einzelnen Modus (beispielsweise entweder des Modus hoher Empfindlichkeit oder des Modus geringer Empfindlichkeit) sowohl eine hohe Empfindlichkeit als auch ein hoher Dynamikbereich erreicht werden.
In Patentliteratur 3 wurde ein asymmetrisches Bildzerlegungselement zum optischen Mehrfarberfassungssystem hinzugefügt. Die von jedem lichtemittierenden Punkt emittierte Fluoreszenz wird der Wellenlänge nach dispergiert und zerlegt, um ein wellenlängendispergiertes Bild mit einer hohen Fluoreszenzintensität (nachstehend stark unterteilte Bildgebung) und ein wellenlängendispergiertes Bild mit einer schwachen Fluoreszenzintensität (nachstehend schwach unterteilte Bildgebung) zu erzeugen, und diese Bilder werden gleichzeitig gemessen. Bins werden für beide wellenlängendispergierten Bilder festgelegt. Unter der Bedingung, dass die vom lichtemittierenden Punkt emittierte Fluoreszenzmenge konstant ist, empfängt jeder Bin im Bildsensor bei der stark unterteilten Bildgebung mehr Fluoreszenz, so dass die Empfindlichkeit verbessert ist. Umgekehrt empfängt bei der schwach unterteilten Bildgebung jeder Bin im Bildsensor weniger Fluoreszenz, so dass die Empfindlichkeit verringert ist, das Sättigungsniveau der vom lichtemittierenden Punkt emittierten Fluoreszenzmenge jedoch erhöht ist. Das heißt, dass die stark unterteilte Bildgebung als Modus hoher Empfindlichkeit wirkt und die schwach unterteilte Bildgebung als Modus geringer Empfindlichkeit wirkt. Wenn die vom lichtemittierenden Punkt emittierte Fluoreszenzmenge gering ist, kann die emittierte Fluoreszenz im Modus geringer Empfindlichkeit nicht erfasst werden, sie kann jedoch im Modus hoher Empfindlichkeit gut gemessen werden. Wenn die vom lichtemittierenden Punkt emittierte Fluoreszenzmenge andererseits hoch ist, übersteigt die emittierte Fluoreszenz das Sättigungsniveau im Modus hoher Empfindlichkeit, so dass die emittierte Fluoreszenz nicht vorteilhaft gemessen werden kann. Die emittierte Fluoreszenz kann jedoch im Modus geringer Empfindlichkeit vorteilhaft gemessen werden. Daher können durch Kombinieren des Modus hoher Empfindlichkeit und des Modus geringer Empfindlichkeit anders als im Fall eines einzelnen Modus (beispielsweise entweder des Modus hoher Empfindlichkeit oder des Modus geringer Empfindlichkeit) sowohl eine hohe Empfindlichkeit als auch ein hoher Dynamikbereich erreicht werden.
In Patentliteratur 4 wird die Signalintensität X(f) des Bins W(f) nicht nur durch Hardware-Binning, sondern durch geeignetes Schalten zwischen dem Hardware-Binning und dem Software-Binning erhalten. Auf der Grundlage der vorstehend beschriebenen Eigenschaften des Hardware-Binnings und des Software-Binnings wirkt das Hardware-Binning als Modus hoher Empfindlichkeit und wirkt das Software-Binning als Modus geringer Empfindlichkeit. Wenn die vom lichtemittierenden Punkt emittierte Fluoreszenzmenge gering ist, kann die emittierte Fluoreszenz im Modus geringer Empfindlichkeit nicht erfasst werden, sie kann jedoch im Modus hoher Empfindlichkeit gut gemessen werden. Wenn die vom lichtemittierenden Punkt emittierte Fluoreszenzmenge andererseits hoch ist, übersteigt die emittierte Fluoreszenz das Sättigungsniveau im Modus hoher Empfindlichkeit, so dass die emittierte Fluoreszenz nicht vorteilhaft gemessen werden kann. Die emittierte Fluoreszenz kann jedoch im Modus geringer Empfindlichkeit vorteilhaft gemessen werden. Daher können durch Kombinieren des Modus hoher Empfindlichkeit und des Modus geringer Empfindlichkeit anders als im Fall eines einzelnen Modus (beispielsweise entweder des Modus hoher Empfindlichkeit oder des Modus geringer Empfindlichkeit) sowohl eine hohe Empfindlichkeit als auch ein hoher Dynamikbereich erreicht werden.
In Patentliteratur 5 ist der Wellenlängenbereich jedes Bins W(f) nicht fest, sondern wird geeignet geändert. Insbesondere werden die F Bins W(f) (f = 1, 2, ... und F), wenn keine der F Signalintensitäten X(f) (f = 1, 2, ... und F) das Sättigungsniveau überschreitet, ebenso wie vorstehend beschrieben festgelegt (nachstehend als vollständiges Hardware-Binning bezeichnet). Wenn andererseits eine der F Signalintensitäten X(f) das Sättigungsniveau überschreitet, wird der entsprechende Bin W(f) zu null geändert und ungültig gemacht (nachstehend als teilweises Hardware-Binning bezeichnet). Wenn der Bin W(f₀) beispielsweise das Sättigungsniveau überschreitet, werden alle G Elemente Y(f₀)(g) (g = 1, 2, ... und G) der f₀-ten Zeile der Matrix Y in Ausdruck (3) auf null gesetzt. Unter der Bedingung, dass die Fluoreszenzmenge vom lichtemittierenden Punkt konstant ist, stellt das vollständige Hardware-Binning eine verbesserte Empfindlichkeit bereit, weil jeder Bin mehr Fluoreszenz empfängt. Umgekehrt empfängt jeder Bin beim teilweisen Hardware-Binning weniger Fluoreszenz, wodurch die Empfindlichkeit verringert wird, jedoch das Sättigungsniveau der vom lichtemittierenden Punkt emittierten Fluoreszenzmenge erhöht wird. Das heißt, dass das vollständige Hardware-Binning als Modus hoher Empfindlichkeit wirkt und das teilweise Hardware-Binning als Modus geringer Empfindlichkeit wirkt. Wenn die vom lichtemittierenden Punkt emittierte Fluoreszenzmenge gering ist, kann die emittierte Fluoreszenz im Modus geringer Empfindlichkeit nicht erfasst werden, sie kann jedoch im Modus hoher Empfindlichkeit gut gemessen werden. Wenn die vom lichtemittierenden Punkt emittierte Fluoreszenzmenge andererseits hoch ist, übersteigt die emittierte Fluoreszenz das Sättigungsniveau im Modus hoher Empfindlichkeit, so dass die emittierte Fluoreszenz nicht vorteilhaft gemessen werden kann. Die emittierte Fluoreszenz kann jedoch im Modus geringer Empfindlichkeit vorteilhaft gemessen werden. Daher können durch Kombinieren des Modus hoher Empfindlichkeit und des Modus geringer Empfindlichkeit anders als im Fall eines einzelnen Modus (beispielsweise entweder des Modus hoher Empfindlichkeit oder des Modus geringer Empfindlichkeit) sowohl eine hohe Empfindlichkeit als auch ein hoher Dynamikbereich erreicht werden.
In allen der vorstehend beschriebenen Patentliteraturen 2 bis 5 wird ein hoher Dynamikbereich verwirklicht, während eine hohe Empfindlichkeit beibehalten wird, indem ein Modus hoher Empfindlichkeit und ein Modus geringer Empfindlichkeit kombiniert werden. Wenngleich es Unterschiede in der Art des Kombinierens beider Modi gibt, wie beispielsweise alternierendes Schalten der Modi, Schalten beider Modi nach Bedarf auf der Grundlage des gemessenen Signals oder gleichzeitiges Implementieren beider Modi, sind die Grundeigenschaften gleich. Das Kombinieren eines Modus hoher Empfindlichkeit und eines Modus geringer Empfindlichkeit ist nicht nur für Kapillarelektrophoreseinstrumente für die DNA-Analyse, sondern auch für alle Analyseverfahren und Analyseinstrumente, bei denen eine Elektrophorese unter Verwendung einer einzigen oder mehrerer Kapillaren ausgeführt wird und die Fluoreszenz mehrerer Fluorophortypen, die Lichtstreuung mehrerer Streukörpertypen oder die Lichtabsorption mehrerer Absorbertypen durch einen Bildsensor oder einen Liniensensor gemessen und identifiziert wird, wirksam.
Andererseits kann bei vielen im Handel erhältlichen Digitalkameras in der Art in Smartphones verwendeter Digitalkameras ein hoher Dynamikbereich verwirklicht werden, während eine hohe Empfindlichkeit beibehalten wird, indem ein Modus hoher Empfindlichkeit und ein Modus geringer Empfindlichkeit kombiniert werden. Dies wird im Allgemeinen als Bildgebung mit einem hohen Dynamikbereich (HDR) bezeichnet. Typischerweise wird ähnlich Patentliteratur 2 ein Bild mit einem hohen Dynamikbereich durch Aufnehmen eines Bilds mit einer langen Belichtungszeit im Modus hoher Empfindlichkeit, Aufnehmen eines Bilds mit einer kurzen Belichtungszeit im Modus geringer Empfindlichkeit und Kombinieren dieser Bilder synthetisiert.
Zitatliste
Patentliteratur

PTL 1: JP 6820907 B1
PTL 2: JP 4823522 B1
PTL 3: JP 6286028 B1
PTL 4: JP 6093274 B1
PTL 5: US 10 902 593

Kurzfassung der Erfindung
Technisches Problem
Das Verfahren zum Erreichen sowohl einer hohen Empfindlichkeit als auch eines hohen Dynamikbereichs durch Kombinieren eines Modus hoher Empfindlichkeit und eines Modus geringer Empfindlichkeit, wie in den Patentliteraturen 2 bis 5 offenbart, funktioniert, wenn die Fluoreszenz nur eines Fluorophortyps (G = 1) gemessen wird. Alternativ funktioniert das Verfahren auch, wenn Fluoreszenzen mehrerer Fluorophortypen (G ≥ 2) gemessen werden und es nicht erforderlich ist, die mehreren Fluorophortypen zu identifizieren. Wie nachstehend beschrieben wird, wurde jedoch durch von den vorliegenden Erfindern vorgenommene detaillierte Untersuchungen gezeigt, dass das Verfahren nicht funktioniert, wenn Fluoreszenzen mehrerer Fluorophortypen (G ≥ 2) gemessen werden und die mehreren Fluorophortypen identifiziert werden müssen.
Das Folgende wird als einfaches Beispiel angenommen. E = 1: Eine Kapillare wird zur Kapillarelektrophorese verwendet. F = 2: Ein wellenlängendispergiertes Bild der von einem lichtemittierenden Punkt auf der Kapillare emittierten Fluoreszenz wird in zwei Bins W(1) und W(2) gemessen, so dass eine Zweifarberfassung vorgenommen wird. G = 2: Ein Fluorophor D(1) und ein Fluorophor D(2) sind Messziele. Infolge der unterschiedlichen Fluoreszenzspektren des Fluorophors D(1) und des Fluorophors D(2) wird die emittierte Fluoreszenz des Fluorophors D(1) im Bin W(1) und im Bin W(2) bei einem Verhältnis 3 : 2 gemessen und wird die emittierte Fluoreszenz des Fluorophors D(2) im Bin W(1) und im Bin W(2) bei einem Verhältnis 2 : 3 gemessen. Es sei angenommen, dass der messbare Bereich der Signalintensitäten des Bins W(1) und des Bins W(2) in einem Modus hoher Empfindlichkeit 10 bis 100 und in einem Modus geringer Empfindlichkeit 100 bis 1000 ist. Die Belichtungszeit im Modus geringer Empfindlichkeit ist das 1/10Fache der Belichtungszeit im Modus hoher Empfindlichkeit. Hier wird zum Anpassen jeder Signalintensität an die emittierte Fluoreszenzmenge jede im Modus geringer Empfindlichkeit erhaltene Signalintensität im Computer mit 10 multipliziert. Jede Signalintensität ist eine beliebige Einheit. Der Dynamikbereich sowohl im Modus hoher Empfindlichkeit als auch im Modus geringer Empfindlichkeit ist nur 1 Zehnerpotenz (10 bis 100 bzw. 100 bis 1000). Dagegen wird erwartet, dass durch Kombinieren dieser Modi der Dynamikbereich auf 2 Zehnerpotenzen (10 bis 1000) erweitert werden kann, während die Empfindlichkeit beibehalten wird (die untere Erfassungsgrenze ist 10).
Zuerst sind, wenn die vom Fluorophor D(1) und vom Fluorophor D(2) emittierten Fluoreszenzmengen 50 bzw. 0 sind, die Signalintensitäten des Bins W(1) und des Bins W(2) im Modus hoher Empfindlichkeit 30 und 20, während beide im Modus geringer Empfindlichkeit 0 sind. Zu dieser Zeit wird durch Ausführen einer Farbwandlung die vom Fluorophor D(1) emittierte Fluoreszenzmenge im Modus hoher Empfindlichkeit als 50 erhalten, jedoch im Modus geringer Empfindlichkeit nicht korrekt erhalten (als 0 erhalten), weil die Signalintensitäten im Modus geringer Empfindlichkeit geringer als die untere Erfassungsgrenze oder gleich dieser sind (die Signalintensitäten sind 0). Natürlich wird die emittierte Fluoreszenzmenge des Fluorophors D(2) in beiden Modi als 0 erhalten.
Als nächstes sind, wenn die vom Fluorophor D(1) und vom Fluorophor D(2) emittierten Fluoreszenzmengen 500 bzw. 0 sind, die Signalintensitäten des Bins W(1) und des Bins W(2) im Modus hoher Empfindlichkeit beide gesättigt, während sie im Modus geringer Empfindlichkeit 300 und 200 betragen. Zu dieser Zeit kann die emittierte Fluoreszenzmenge des Fluorophors D(1) durch Ausführen der Farbwandlung im Modus hoher Empfindlichkeit nicht korrekt erhalten werden, weil die Signalintensitäten des Bins W(1) und des Bins W(2) beide gesättigt sind (die emittierte Fluoreszenzmenge ist unbekannt). Dagegen wird die emittierte Fluoreszenzmenge des Fluorophors D(1) im Modus geringer Empfindlichkeit als 500 erhalten. Ähnlich kann die vom Fluorophor D(2) emittierte Fluoreszenzmenge im Modus hoher Empfindlichkeit nicht korrekt erhalten werden, weil die Signalintensitäten des Bins W(1) und des Bins W(2) beide gesättigt sind (die emittierte Fluoreszenzmenge ist unbekannt), während sie im Modus geringer Empfindlichkeit als 0 erhalten wird.
Andererseits sind, wenn die vom Fluorophor D(1) und vom Fluorophor D(2) emittierten Fluoreszenzmengen 500 bzw. 50 sind, die Signalintensitäten des Bins W(1) und des Bins W(2) im Modus hoher Empfindlichkeit beide gesättigt, während sie im Modus geringer Empfindlichkeit 300 und 200 betragen. Zu dieser Zeit kann die emittierte Fluoreszenzmenge des Fluorophors D(1) durch Ausführen der Farbwandlung im Modus hoher Empfindlichkeit nicht korrekt erhalten werden, weil die Signalintensitäten des Bins W(1) und des Bins W(2) beide gesättigt sind (die emittierte Fluoreszenzmenge ist unbekannt). Dagegen wird die emittierte Fluoreszenzmenge des Fluorophors D(1) im Modus geringer Empfindlichkeit als 500 erhalten. Ähnlich kann die vom Fluorophor D(2) emittierte Fluoreszenzmenge im Modus hoher Empfindlichkeit nicht korrekt erhalten werden, weil die Signalintensitäten des Bins W(1) und des Bins W(2) beide gesättigt sind (die emittierte Fluoreszenzmenge ist unbekannt). Überdies kann die vom Fluorophor D(2) emittierte Fluoreszenzmenge im Modus geringer Empfindlichkeit nicht korrekt erhalten werden (die emittierte Fluoreszenzmenge wird als 0 erhalten).
Wie vorstehend beschrieben, werden, wenn die vom Fluorophor D(1) emittierte Fluoreszenzmenge 500 ist, die gleichen Messergebnisse in den Fällen erhalten, in denen die vom Fluorophor D(2) emittierte Fluoreszenzmenge 0 und 50 ist. Das heißt, dass beide Fälle nicht unterschieden werden können. Im Allgemeinen kann das Fluorophor D(2) nicht gemessen werden, wenn die vom Fluorophor D(1) emittierte Fluoreszenzmenge zwischen 100 und 1000 liegt und die vom Fluorophor D(2) emittierte Fluoreszenzmenge zwischen 10 und 100 liegt. Ähnlich kann das Fluorophor D(1) nicht gemessen werden, wenn die vom Fluorophor D(2) emittierte Fluoreszenzmenge zwischen 100 und 1000 liegt und die vom Fluorophor D(1) emittierte Fluoreszenzmenge zwischen 10 und 100 liegt. Das heißt, dass, wenn nur eines der Fluorophore D(1) und D(2) das Messziel ist, die zwischen 10 und 1000 liegende emittierte Fluoreszenzmenge des einen Fluorophors gemessen werden kann. Wenn jedoch beide Fluorophore D(1) und D(2) die Messziele sind, kann nur die zwischen 100 und 1000 (oder zwischen 10 und 100) liegende emittierte Fluoreszenzmenge der Fluorophore gemessen werden. Daher ist klar geworden, dass das Verfahren zum Erreichen sowohl einer hohen Empfindlichkeit als auch eines hohen Dynamikbereichs durch Kombinieren des Modus hoher Empfindlichkeit und des Modus geringer Empfindlichkeit, wie in den Patentliteraturen 2 bis 5 offenbart, in einem Fall funktioniert, in dem ein einziges Fluorophor (G = 1) das Messziel ist, jedoch nicht in einem Fall funktioniert, in dem mehrere Fluorophore (G ≥ 2) die Messziele sind und diese Fluorophore identifiziert und analysiert werden.
Demgegenüber kann, wenn eine mit einer HDR-Bildgebungsfunktion ausgerüstete Digitalkamera eines Smartphones verwendet wird, G ≥ 2 gelten, weil eine große Vielfalt von Lichtemittern, Lichtabsorbern und Streukörpern Messziele sind. Diese Messziele werden jedoch gewöhnlich nicht identifiziert und analysiert. Beispielsweise tritt in einem Fall, in dem eine Landschaft, die ein gelbes Auto enthält, von der Digitalkamera aufgenommen wird, gelbes Licht in ein Pixel im Bild des Autos auf dem Bildsensor ein, und es wird erkannt, dass die Farbe des Autos gelb ist. Es ist jedoch unerheblich aus welcher Art von Lichtemittern, Lichtabsorbern und Lichtstreukörpern das gelbe Licht besteht und mit welchem Verhältnis sie kombiniert werden, um das gelbe Licht zu bilden. Beispielsweise wird nicht identifiziert, ob das gelbe Licht eine Kombination von rotem Licht und grünem Licht oder reines gelbes Licht ist. Daher wird im Fall der mit der HDR-Bildgebungsfunktion ausgerüsteten Digitalkamera, wenngleich G ≥ 2 gelten kann, eine Erweiterung des Dynamikbereichs nicht verhindert, weil nicht mehrere Messziele identifiziert und analysiert werden.
Daher schlägt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Erreichen sowohl einer hohen Empfindlichkeit als auch eines hohen Dynamikbereichs in einem Analyseverfahren und einem Analyseinstrument, einschließlich eines Kapillarelektrophoreseinstruments zur DNA-Analyse, welche eine Elektrophorese unter Verwendung einer einzigen oder mehrerer Kapillaren ausführen und die von mehreren Fluorophortypen emittierte Fluoreszenz, von mehreren Streukörpertypen gestreutes Streulicht oder die von mehreren Absorbertypen absorbierte Absorption messen, während sie jeweils unter Verwendung eines Bildsensors oder eines Liniensensors identifiziert werden, vor. Anstelle eines Verfahrens zum Kombinieren eines Modus hoher Empfindlichkeit und eines Modus geringer Empfindlichkeit wie in den Patentliteraturen 2 bis 5 wird ein Verfahren zum Erreichen des vorstehend Erwähnten unter Verwendung eines einzigen Modus vorgeschlagen.
Lösung des Problems
Insbesondere wird bei einem Multikapillarelektrophoreseinstrument gemäß der vorliegenden Offenbarung die Zusammensetzung der gemessenen Rauscharten durch Steuern der Zusammensetzung eines in jede Kapillare gefüllten Elektrophoresetrennmediums, der Zusammensetzung jeder Probe, der Wellenlänge und der Intensität eines Laserstrahls, der Konfiguration eines optischen Mehrfarberfassungssystems, der Belichtungszeit, der Bin-Festlegung, des Typs eines Bildsensors, der Temperatur oder dergleichen auf eine vorbestimmte Bedingung gesetzt. Die Anzahl der jedem Bin W(f) entsprechenden Pixel wird als B_m(f) bezeichnet, und die Anzahl der dem im Bin W(f) ausgeführten Software-Binning unterzogenen Pixel wird als B_s(f) bezeichnet. Durch Setzen von B_m(f) und B_s(f) in vorbestimmte optimale Bereiche können sowohl eine hohe Empfindlichkeit als auch ein hoher Dynamikbereich erreicht werden.
Andere Merkmale der vorliegenden Offenbarung werden anhand der Beschreibung und der anliegenden Zeichnungen dieser Patentschrift verständlich werden. Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden durch Elemente, Kombinationen verschiedener Elemente, die folgende detaillierte Beschreibung und die anliegenden Ansprüche erreicht und verwirklicht. Die Beschreibung dieser Patentschrift dient nur als typisches Beispiel und schränkt den Schutzumfang der Ansprüche oder die Anwendungen der vorliegenden Offenbarung nicht ein.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Offenbarung können sowohl eine hohe Empfindlichkeit als auch ein hoher Dynamikbereich in einem Analyseverfahren und einem Analyseinstrument, einschließlich eines Kapillarelektrophoreseinstruments für die DNA-Analyse, die eine Elektrophorese unter Verwendung einer einzigen oder mehrerer Kapillaren ausführen und die von mehreren Fluorophortypen emittierte Fluoreszenz, das von mehreren Streukörpertypen gestreute Licht oder die von mehreren Absorbertypen absorbierte Absorption messen, während jeder von ihnen unter Verwendung eines Bildsensors oder eines Liniensensors identifiziert wird, erreicht werden. Dies ermöglicht das Analysieren von Proben mit einem breiten Konzentrationsbereich ohne Konzentrationseinstellung. Alternativ können Proben mit mehreren stark variierende Konzentrationen aufweisenden Komponenten analysiert werden.
Aufgaben, Konfigurationen und Wirkungen neben der vorstehenden Beschreibung werden durch die Erklärung der folgenden Ausführungsformen verständlich werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:

1 ein Konfigurationsdiagramm eines Multikapillarelektrophoreseinstruments,
2A ein Diagramm eines Konfigurationsbeispiels eines optischen Mehrfarberfassungssystems unter Verwendung einer Wellenlängendispersion,
2B ein schematisches Diagramm eines von einem Bildsensor aufgenommenen Gesamtbilds,
3 eine vergrößerte Ansicht eines wellenlängendispergierten Bilds,
4 eine vergrößerte Ansicht eines wellenlängendispergierten Bilds und einer Pixelkonfiguration um das wellenlängendispergierte Bild,
5 eine vergrößerte Ansicht einer Pixelkonfiguration um ein wellenlängendispergiertes Bild,
6 eine vergrößerte Ansicht einer Bin-Konfiguration um ein wellenlängendispergiertes Bild,
7 eine vergrößerte Ansicht einer Hardware-Binning-Konfiguration um ein wellenlängendispergiertes Bild,
8 eine vergrößerte Ansicht einer Hardware-Binning-Konfiguration um ein wellenlängendispergiertes Bild,
9 eine vergrößerte Ansicht einer Hardware-Binning-Konfiguration um ein wellenlängendispergiertes Bild,
10 eine vergrößerte Ansicht einer Hardware-Binning-Konfiguration um ein wellenlängendispergiertes Bild,
11A einen Graphen, der eine LLOD (untere Erfassungsgrenze), eine ULOD (obere Erfassungsgrenze) und einen DR (Dynamikbereich) in Abhängigkeit von B_h (Pixelanzahl des Hardware-Binnings) zeigt,
11B einen Graphen, der eine LLOD (untere Erfassungsgrenze), eine ULOD (obere Erfassungsgrenze) und einen DR (Dynamikbereich) in Abhängigkeit von B_h (Pixelanzahl des Hardware-Binnings) zeigt,
11C einen Graphen, der eine LLOD (untere Erfassungsgrenze), eine ULOD (obere Erfassungsgrenze) und einen DR (Dynamikbereich) in Abhängigkeit von B_h (Pixelanzahl des Hardware-Binnings) zeigt,
12A einen Graphen, der eine LLOD (untere Erfassungsgrenze), eine ULOD (obere Erfassungsgrenze) und einen DR (Dynamikbereich) in Abhängigkeit von B_s (Pixelanzahl des Software-Binnings) zeigt,
12B einen Graphen, der eine LLOD (untere Erfassungsgrenze), eine ULOD (obere Erfassungsgrenze) und einen DR (Dynamikbereich) in Abhängigkeit von B_s (Pixelanzahl des Software-Binnings) zeigt,
12C einen Graphen, der eine LLOD (untere Erfassungsgrenze), eine ULOD (obere Erfassungsgrenze) und einen DR (Dynamikbereich) in Abhängigkeit von B_s (Pixelanzahl des Software-Binnings) zeigt,
13A einen Graphen, der eine LLOD (untere Erfassungsgrenze), eine ULOD (obere Erfassungsgrenze) und einen DR (Dynamikbereich) in Abhängigkeit von B_s/B_m (Software-Binning-Verhältnis) zeigt,
13B einen Graphen, der eine LLOD (untere Erfassungsgrenze), eine ULOD (obere Erfassungsgrenze) und einen DR (Dynamikbereich) in Abhängigkeit von B_s/B_m (Software-Binning-Verhältnis) zeigt,
13C einen Graphen, der eine LLOD (untere Erfassungsgrenze), eine ULOD (obere Erfassungsgrenze) und einen DR (Dynamikbereich) in Abhängigkeit von B_s/B_m (Software-Binning-Verhältnis) zeigt,
14A einen Graphen, der eine LLOD (untere Erfassungsgrenze), eine ULOD (obere Erfassungsgrenze) und einen DR (Dynamikbereich) in Abhängigkeit von B_h (Pixelanzahl des Hardware-Binnings) unter anderen Bedingungen zeigt,
14B einen Graphen, der eine LLOD (untere Erfassungsgrenze), eine ULOD (obere Erfassungsgrenze) und einen DR (Dynamikbereich) in Abhängigkeit von B_h (Pixelanzahl des Hardware-Binnings) unter anderen Bedingungen zeigt,
14C einen Graphen, der eine LLOD (untere Erfassungsgrenze), eine ULOD (obere Erfassungsgrenze) und einen DR (Dynamikbereich) in Abhängigkeit von B_h (Pixelanzahl des Hardware-Binnings) unter anderen Bedingungen zeigt,
15A einen Graphen, der eine LLOD (untere Erfassungsgrenze), eine ULOD (obere Erfassungsgrenze) und einen DR (Dynamikbereich) in Abhängigkeit von B_s (Pixelanzahl des Software-Binnings) unter anderen Bedingungen zeigt,
15B einen Graphen, der eine LLOD (untere Erfassungsgrenze), eine ULOD (obere Erfassungsgrenze) und einen DR (Dynamikbereich) in Abhängigkeit von B_s (Pixelanzahl des Software-Binnings) unter anderen Bedingungen zeigt,
15C einen Graphen, der eine LLOD (untere Erfassungsgrenze), eine ULOD (obere Erfassungsgrenze) und einen DR (Dynamikbereich) in Abhängigkeit von B_s (Pixelanzahl des Software-Binnings) unter anderen Bedingungen zeigt,
16A einen Graphen, der eine LLOD (untere Erfassungsgrenze), eine ULOD (obere Erfassungsgrenze) und einen DR (Dynamikbereich) in Abhängigkeit von B_h (Pixelanzahl des Hardware-Binnings) unter anderen Bedingungen zeigt,
16B einen Graphen, der eine LLOD (untere Erfassungsgrenze), eine ULOD (obere Erfassungsgrenze) und einen DR (Dynamikbereich) in Abhängigkeit von B_h (Pixelanzahl des Hardware-Binnings) unter anderen Bedingungen zeigt,
16C einen Graphen, der eine LLOD (untere Erfassungsgrenze), eine ULOD (obere Erfassungsgrenze) und einen DR (Dynamikbereich) in Abhängigkeit von B_h (Pixelanzahl des Hardware-Binnings) unter anderen Bedingungen zeigt,
17A ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen c (Schrotrauschverhältnis) und B_s (Pixelanzahl des Software-Binnings), die eine Bedingung hoher Empfindlichkeit und eine Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllt, zeigt,
17B ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen c (Schrotrauschverhältnis) und B_s (Pixelanzahl des Software-Binnings), die eine Bedingung hoher Empfindlichkeit und eine Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllt, zeigt,
17C ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen B_m (Pixelanzahl eines Bins) und B_s/B_m (Software-Binning-Verhältnis), die eine erste Bedingung hoher Empfindlichkeit und eine erste Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllt, zeigt,
17D ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen B_m (Pixelanzahl eines Bins) und B_s/B_m (Software-Binning-Verhältnis), die eine erste Bedingung hoher Empfindlichkeit und eine erste Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllt, zeigt,
17E ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen B_m (Pixelanzahl eines Bins) und B_s/B_m (Software-Binning-Verhältnis), die eine erste Bedingung hoher Empfindlichkeit und eine erste Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllt, zeigt,
17F ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen B_m (Pixelanzahl eines Bins) und B_s/B_m (Software-Binning-Verhältnis), die eine zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit und eine zweite Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllt, zeigt,
17G ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen B_m (Pixelanzahl eines Bins) und B_s/B_m (Software-Binning-Verhältnis), die eine zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit und eine zweite Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllt, zeigt,
17H ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen B_m (Pixelanzahl eines Bins) und B_s/B_m (Software-Binning-Verhältnis), die eine zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit und eine zweite Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllt, zeigt,
18A einen Graphen, der eine LLOD (untere Erfassungsgrenze), eine ULOD (obere Erfassungsgrenze) und einen DR (Dynamikbereich) in Abhängigkeit von B_s (Pixelanzahl des Software-Binnings) unter Berücksichtigung des räumlichen Übersprechens zeigt,
18B einen Graphen, der eine LLOD (untere Erfassungsgrenze), eine ULOD (obere Erfassungsgrenze) und einen DR (Dynamikbereich) in Abhängigkeit von B_s (Pixelanzahl des Software-Binnings) unter Berücksichtigung des räumlichen Übersprechens zeigt,
18C einen Graphen, der eine LLOD (untere Erfassungsgrenze), eine ULOD (obere Erfassungsgrenze) und einen DR (Dynamikbereich) in Abhängigkeit von B_s (Pixelanzahl des Software-Binnings) unter Berücksichtigung des räumlichen Übersprechens zeigt,
18D einen Graphen, der eine LLOD (untere Erfassungsgrenze), eine ULOD (obere Erfassungsgrenze) und einen DR (Dynamikbereich) in Abhängigkeit von B_s (Pixelanzahl des Software-Binnings) unter Berücksichtigung des räumlichen Übersprechens zeigt,
18E einen Graphen, der eine LLOD (untere Erfassungsgrenze), eine ULOD (obere Erfassungsgrenze) und einen DR (Dynamikbereich) in Abhängigkeit von B_s (Pixelanzahl des Software-Binnings) unter Berücksichtigung des räumlichen Übersprechens zeigt,
18F einen Graphen, der eine LLOD (untere Erfassungsgrenze), eine ULOD (obere Erfassungsgrenze) und einen DR (Dynamikbereich) in Abhängigkeit von B_s (Pixelanzahl des Software-Binnings) unter Berücksichtigung des räumlichen Übersprechens zeigt,
19A einen Graphen, der eine LLOD (untere Erfassungsgrenze), eine ULOD (obere Erfassungsgrenze) und einen DR (Dynamikbereich) in Abhängigkeit von B_s (Pixelanzahl des Software-Binnings) unter Berücksichtigung des räumlichen Übersprechens unter anderen Bedingungen zeigt,
19B einen Graphen, der eine LLOD (untere Erfassungsgrenze), eine ULOD (obere Erfassungsgrenze) und einen DR (Dynamikbereich) in Abhängigkeit von B_s (Pixelanzahl des Software-Binnings) unter Berücksichtigung des räumlichen Übersprechens unter anderen Bedingungen zeigt,
19C einen Graphen, der eine LLOD (untere Erfassungsgrenze), eine ULOD (obere Erfassungsgrenze) und einen DR (Dynamikbereich) in Abhängigkeit von B_s (Pixelanzahl des Software-Binnings) unter Berücksichtigung des räumlichen Übersprechens unter anderen Bedingungen zeigt,
19D einen Graphen, der eine LLOD (untere Erfassungsgrenze), eine ULOD (obere Erfassungsgrenze) und einen DR (Dynamikbereich) in Abhängigkeit von B_s (Pixelanzahl des Software-Binnings) unter Berücksichtigung des räumlichen Übersprechens unter anderen Bedingungen zeigt,
19E einen Graphen, der eine LLOD (untere Erfassungsgrenze), eine ULOD (obere Erfassungsgrenze) und einen DR (Dynamikbereich) in Abhängigkeit von B_s (Pixelanzahl des Software-Binnings) unter Berücksichtigung des räumlichen Übersprechens unter anderen Bedingungen zeigt, und
19F einen Graphen, der eine LLOD (untere Erfassungsgrenze), eine ULOD (obere Erfassungsgrenze) und einen DR (Dynamikbereich) in Abhängigkeit von B_s (Pixelanzahl des Software-Binnings) unter Berücksichtigung des räumlichen Übersprechens unter anderen Bedingungen zeigt.

Beschreibung von Ausführungsformen
<Untersuchung der Empfindlichkeit und des Dynamikbereichs>
Eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird anhand des vorstehend beschriebenen Kapillarelektrophoreseinstruments für die DNA-Analyse als Beispiel beschrieben. Beim vorliegenden Instrument soll jeder Bin W(f) (f = 1, 2, ... und F) für jeden lichtemittierenden Punkt Fluoreszenzen in einem gewünschten spezifischen Wellenlängenband im wellenlängendispergierten Bild bei einer konstanten Belichtungszeit messen. Beispielsweise soll der Bin W(1) dem Wellenlängenband von 500 bis 510 nm entsprechen, der Bin W(2) dem Wellenlängenband von 510 bis 520 nm entsprechen usw. Hier kann es in jedem wellenlängendispergierten Bild ein Gebiet (Pixel) geben, das keinem Bin entspricht. Alternativ kann dasselbe Gebiet (Pixel) abhängig von einer später beschriebenen Binning-Bedingung mehreren Bins entsprechen. Das heißt, dass mehrere verschiedene Bins einander auf dem Bildsensor überlappen können. Andererseits können die Größe und die Form des wellenlängendispergierten Bilds der von jedem lichtemittierenden Punkt emittierten Fluoreszenzen oder des wellenlängendispergierten Bilds der Fluoreszenzen mit einem spezifischen Wellenlängenband durch die Konfiguration des optischen Mehrfarberfassungssystems geändert werden. Indem beispielsweise die Brennweite der zweiten Kameralinse länger (alternativ kürzer) gemacht wird als die Brennweite der ersten Kameralinse, kann jedes wellenlängendispergierte Bild vergrößert (alternativ verkleinert) werden. Wenn beide Brennweiten gleich sind, wird jedes wellenlängendispergierte Bild mit einer einfachen Vergrößerung erzeugt. Durch Erhöhen (alternativ Verringern) der Gitterfrequenz des Transmissionsbeugungsgitters kann der Wellenlängendispersionsabstand auf dem Bildsensor vergrößert (alternativ verkleinert) werden. Das heißt, dass auf dem Bildsensor die Größe und die Form des wellenlängendispergierten Bilds einer von jedem lichtemittierenden Punkt emittierten Fluoreszenz mit einem spezifischen Wellenlängenband durch die Konfiguration des optischen Mehrfarberfassungssystems geändert werden können. Durch die Verwendung eines Bildsensors mit einer hohen Pixelgröße (alternativ einer geringen Pixelgröße) kann die Wellenlängenbreite pro Pixel des wellenlängendispergierten Bilds erhöht (alternativ verringert) werden. Wie vorstehend beschrieben, können durch Steuern der Konfiguration des optischen Mehrfarberfassungssystems das Pixelgebiet und die Anzahl der Pixel B_m(f), worauf das Wellenlängendispersionsbild der Fluoreszenz mit dem spezifischen Wellenlängenband, d. h. der Bin W(f), projiziert wird, auf dem Bildsensor geändert werden. Eine solche Untersuchung wurde bisher noch nicht gemacht und ist für die vorliegende Offenbarung einzigartig. Nachstehend werden aus Gründen der Einfachheit (f) des Bins W(f) und die Anzahl der Pixel B_m(f) fortgelassen, ihre Bedeutungen bleiben jedoch gleich.
In der vorliegenden Offenbarung kann ein beliebiger Bildsensor verwendet werden, auf dem Pixel zweidimensional angeordnet sind. Als repräsentatives Beispiel kann ein CCD-Bildsensor oder ein CMOS-Bildsensor verwendet werden. Ferner kann unabhängig von einer nachstehend beschriebenen Binning-Bedingung eine beliebige AD-Wandlung, die eine Menge in einem oder mehreren Pixeln entsprechend einer Menge einfallenden Lichts gesammelter elektrischer Ladungen in ein Digitalsignal wandelt, verwendet werden. Im Allgemeinen wird, wenn die verwendete Anzahl der Bits der AD-Wandlung gering ist, die Auflösung oder Genauigkeit des Digitalsignals unzureichend und besteht die Möglichkeit, dass der Dynamikbereich gering wird. Wenn andererseits die Anzahl der Bits der AD-Wandlung hoch ist, kann die Auflösung oder Genauigkeit des Digitalsignals verbessert werden, es wird jedoch die für die AD-Wandlung benötigte Zeit lang, so dass eine schnelle Analyse schwierig wird. Wenn die Anzahl der Bits der AD-Wandlung zunimmt, nimmt der Stromverbrauch des Bildsensors und der Steuerplatine zu, woraus sich das Problem ergibt, dass die Herstellungskosten dafür ansteigen. Wie nachstehend beschrieben wird, schlägt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Verbessern der Empfindlichkeit und des Dynamikbereichs der Analyse durch Optimieren der Binning-Bedingung vor. Dies bedeutet, dass die Auflösung oder Genauigkeit des Digitalsignals durch Optimieren der Binning-Bedingung erhöht werden kann. Daher kann durch die Verwendung des vorliegenden Verfahrens der vorstehend beschriebene Nachteil infolge der geringen Anzahl der Bits der AD-Wandlung überwunden werden und können gleichzeitig die vorstehend beschriebenen Vorteile erreicht werden. Die Anzahl der Bits der AD-Wandlung eines für verschiedene Analysen verwendeten Bildsensors beträgt gewöhnlich 16 Bits oder mehr. Andererseits können gemäß der vorliegenden Offenbarung sowohl Empfindlichkeit als auch Dynamikbereich bei der Analyse erreicht werden, eine schnelle Analyse ermöglicht werden und ferner der Stromverbrauch und die Herstellungskosten des Bildsensors und der Steuerplatine verringert werden, während eine AD-Wandlung von 14 Bits oder darunter, 12 Bits oder darunter oder 10 Bits oder darunter verwendet wird.
Wie vorstehend beschrieben, wird das Binning für das Integrieren des Signals von den B_m Pixeln im Bin W in Hardware-Binning und Software-Binning klassifiziert. Es wird definiert, dass die Anzahl der Hardware-Binning-Gebiete im Bin W B_s ist und die Anzahl der Pixel in jedem Hardware-Binning-Gebiet B_h ist. Hier ist die Anzahl der Pixel des Hardware-Binnings B_h, ist die Anzahl der Pixel des Software-Binnings B_s und gilt B_m = B_h × B_s. Das heißt, dass die Anzahl der Pixel B_s des Software-Binnings nicht unbedingt die Anzahl der physischen Pixel im Bin W, sondern die Anzahl der Pixelinformationsbestandteile (die Häufigkeit, mit der Pixelinformationen gelesen werden), die vom Bildsensor in Bezug auf den Bin W ausgegeben werden, repräsentiert. Ferner gelten 1 ≤ B_h ≤ B_m und 1 ≤ B_s ≤ B_m und sind B_h und B_s beide natürliche Zahlen. Hier wird angenommen, dass jedes der B_s Hardware-Binning-Gebiete aus denselben B_h Pixeln besteht. Im Allgemeinen können die B_s Hardware-Binning-Gebiete aus unterschiedlichen Pixelanzahlen bestehen, und es wird in diesem Fall die durchschnittliche Anzahl der Pixel, welche die B_s Hardware-Binning-Gebiete bilden, als B_h definiert. Ferner ist in diesem Fall die Anzahl der Pixel B_h nicht notwendigerweise eine natürliche Zahl. Die folgenden mathematischen Ausdrücke und dergleichen gelten auch in diesem Fall. In der folgenden Beschreibung wird, sofern nichts anderes angegeben wird, ein Fall angenommen, in dem jedes der B_s Hardware-Binning-Gebiete aus denselben B_h Pixeln besteht.
Auf der Grundlage des vorstehend Erwähnten werden eine Rauschanalyse und eine Empfindlichkeitsanalyse ausgeführt. Die folgende Beschreibung gilt für jeden Bin W Bei einer Lichtmessung unter Verwendung eines Bildsensors wird Rauschen als drei Typen, nämlich als Ausleserauschen, Dunkelstromrauschen und Schrotrauschen, klassifiziert. Zusätzlich ist, wenn eine Probe wie bei der Kapillarelektrophorese analysiert wird, ein von einer Probe abgeleitetes Probenrauschen auch vorhanden, das Probenrauschen wird hier jedoch ignoriert. Es wird angenommen, dass eine Bildgebung durch einen Bildsensor mit einer konstanten Belichtungszeit wiederholt ausgeführt wird. Das Ausleserauschen für ein einziges Pixel wird als N_r bezeichnet. Das Dunkelstromrauschen für ein einziges Pixel wird als N_d bezeichnet. Das Schrotrauschen des vom lichtemittierenden Punkt emittierten und im Bin W gemessenen Hintergrundlichts wird als N_s bezeichnet. Hier ist das Hintergrundlicht das vom lichtemittierenden Punkt emittierte und gemessene Licht minus der zu messenden Fluoreszenz. Weil die vorstehenden Rauscharten nicht vom Binning-Verfahren abhängen, ändern sie sich selbst dann nicht, wenn das Binning-Verfahren geändert wird. Wenn die Anzahl der Pixel im Bin W als B_m bezeichnet wird, die Anzahl der Pixel des Hardware-Binnings im Bin W als B_h bezeichnet wird, die Anzahl der Pixel des Software-Binnings im Bin W als B_s bezeichnet wird und B_m = B_h × B_s gilt, lässt sich das Gesamtrauschen N der im Bin W integrierten Signalintensität X durch Ausdruck (8) ausdrücken.

[Ausdruck 8] $N^{2} = B_{s} \times N_{r}^{2} + B_{h} \times B_{s} \times N_{d}^{2} + N_{s}^{2}$
Wenn B_m = B_h = B_s = 1 gilt, d. h. wenn der Bin W aus einem einzigen Pixel besteht, ist das Gesamtrauschen bekanntermaßen die Wurzel der Summe der Quadrate jedes der drei Rauschtypen. Wenn B_m = B_h = B_s = 1 jedoch nicht erfüllt ist, wird jeder Rauschtyp mit einem jeweiligen eindeutigen Koeffizienten multipliziert, wie durch Ausdruck (8) repräsentiert. Zuerst wird das Ausleserauschen jedes Mal dann, wenn Daten aus dem Bildsensor gelesen werden, addiert. Daher wird das Ausleserauschen unabhängig von der Anzahl der Pixel B_h des Hardware-Binnings für jedes Hardware-Binning-Gebiet addiert. Deshalb wird der Term N_r ² in Ausdruck (8) mit der Anzahl der Pixel B_s des Software-Binnings entsprechend der „Anzahl der Hardware-Binning-Gebiete“ = „Anzahl der Auslesungen“ multipliziert, jedoch nicht mit der für die Anzahl der Auslesungen irrelevanten Anzahl der Pixel B_h des Hardware-Binnings multipliziert. Dann wird das Dunkelstromrauschen, unabhängig davon, ob ein Hardware-Binning oder ein Software-Binning vorliegt, für die Anzahl der durch Binning zuzuordnenden Pixel addiert. Daher wird der Term N_d ² in Ausdruck (8) sowohl mit B_h als auch mit B_s multipliziert. Schließlich ist das Schrotrauschen für das Binning irrelevant, d. h. sowohl für das Hardware-Binning als auch das Software-Binning irrelevant, weil es im vom lichtemittierenden Punkt emittierten und gemessenen Licht inhärent vorhanden ist. Beispielsweise sollten in einem Fall, in dem Licht mit einem spezifischen Wellenlängenband, das von einem lichtemittierenden Punkt emittiert wird, auf ein Pixel fällt (beispielsweise B_m = B_h = B_s = 1), und in einem Fall, in dem das Licht mit dem spezifischen Wellenlängenband auf 100 Pixel fällt (beispielsweise B_m = B_h × B_s = 10 × 10 = 100), die Gesamtlichtmenge und das inhärente Rauschen des Lichts gleich sein. Daher wird der Term N_s ² in Ausdruck (8) nicht mit B_h und B_s multipliziert.
Ein weiterer wichtiger Punkt besteht darin, dass, wie vorstehend beschrieben, die im Bin W gemessene Lichtmenge mit dem spezifischen Wellenlängenband konstant ist, d. h. das Signal S im Bin W konstant ist, und zwar unabhängig von der Anzahl der Pixel B_m des Bins W. Hier gibt das Signal S die von einem Messziel emittierte und mit einer konstanten Belichtungszeit gemessene Lichtmenge (Fluoreszenz) im spezifischen Wellenlängenband an. Wie vorstehend beschrieben, wurde die Beziehung zwischen dem Gesamtrauschen N und dem Signal S der Signalintensität X im Bin W, der Anzahl der Pixel B_m des Bins W, der Anzahl der Pixel B_h des Hardware-Binnings und der Anzahl der Pixel B_s des Software-Binnings unter der Anzahl der Pixel B_m des Bins W in der vorliegenden Offenbarung zum ersten Mal formuliert.
Hier wird das Dunkelstrom-Rauschverhältnis b durch Ausdruck (9) ausgedrückt.

[Ausdruck 9] $b = N_{d} / N_{r}$
Das Schrotrauschverhältnis c wird durch Ausdruck (10) ausgedrückt.

[Ausdruck 10] $c = N_{s} / N_{r}$
Dabei wird Ausdruck (8) durch den folgenden Ausdruck (11) ausgedrückt.

[Ausdruck 11] $N^{2} = (B_{s} + b^{2} \times B_{h} \times B_{s} + c^{2}) \times N_{r}^{2} = (B_{s} + b^{2} \times B_{m} + c^{2}) \times N_{r}^{2}$
Wie anhand der Ausdrücke (8) und (11) klar ist, wird das Gesamtrauschen am kleinsten und wird S/N am größten und wird die Empfindlichkeit am höchsten, wenn B_m = B_h = B_s = 1 gilt. Das S/N der im Bin W integrierten Signalintensität X wird durch den folgenden Ausdruck (12) anhand Ausdruck (11) ausgedrückt.

[Ausdruck 12] $\frac{S}{N} = \frac{1}{\sqrt{B_{s} + b^{2} \cdot B_{m} + c^{2}}} \cdot \frac{S}{N_{r}}$
Hier gibt S eine durch Integration im Bin W, wie vorstehend beschrieben, erhaltene konstante Lichtmenge (Fluoreszenz) an. Natürlich wurde die Formulierung von S/N auf diese Weise von der vorliegenden Offenbarung zum ersten Mal gemacht. Wenn hier die Lichtmenge S, bei der S/N = 3 ist, als untere Erfassungsgrenze LLOD für den Bin W festgelegt wird, wird LLOD durch den folgenden Ausdruck (13) ausgedrückt.

[Ausdruck 13] $L L O D = \sqrt{B_{s} + b^{2} \cdot B_{m} + c^{2}} \times 3 \cdot N_{r}$
Als nächstes wird eine Dynamikbereichanalyse ausgeführt. Wenn die Sättigungslichtmenge pro Einzelpixel des Bildsensors als M definiert wird, ist die Sättigungslichtmenge des Bins W B_s × M. Das heißt, dass die Sättigungslichtmenge proportional zur Anzahl der Auslesungen, d. h. zur Anzahl der Pixel B_s des Software-Binnings, zunimmt, jedoch für die Anzahl der Pixel B_h des Hardware-Binnings irrelevant ist. Dies liegt daran, dass die Sättigungslichtmenge bei der Ausführung des Hardware-Binnings unabhängig von der Anzahl der Pixel des Hardware-Binnings M ist. Es sei bemerkt, dass dies nicht für einen Fall gilt, in dem die Sättigungslichtmenge beim Auslesen, abhängig vom Typ des Bildsensors, größer ist als die Sättigungslichtmenge pro Einzelpixel. Beispielsweise kann für einen CCD-Bildsensor die Sättigungsmenge elektrischer Ladungen pro Einzelpixel am horizontalen Schieberegister oder am Summiergatter auf etwa k = 1 bis 10 Mal größer gesetzt werden als die Sättigungsmenge elektrischer Ladungen pro Einzelpixel am vertikalen Schieberegister. Dann wird ein Sättigungslichtmengenverhältnis k (k ≥ 1) so definiert, dass der Maximalwert des Verhältnisses der Sättigungslichtmenge beim Auslesen nach der Ausführung des Hardware-Binnings auf eine Sättigungslichtmenge pro Einzelpixel gesetzt wird. Die Sättigungslichtmenge des Bins W ist B_s × M, wenn B_h = 1 ist, B_h × B_s × M, wenn 1 < B_h < k ist, und k × B_s × M, wenn k ≤ B_h ist. Wenn das vorstehend Erwähnte verallgemeinert wird, wird die Sättigungslichtmenge des Bins W auf α × B_s × M gesetzt, wobei α als Sättigungslichtmengenkoeffizient bezeichnet wird, wobei α = 1 ist, wenn B_h = 1 ist, α = B_h ist, wenn 1 < B_h < k ist, und α = k ist, wenn k ≤ B_h ist. Wenn das Sättigungslichtmengenverhältnis k = 1 ist, gilt jedoch unabhängig von der Anzahl der Pixel B_h des Hardware-Binnings α = 1. Das vorstehend Erwähnte gilt auch für alle nachfolgenden mathematischen Ausdrücke, die α aufweisen. Weil k im Allgemeinen keine natürliche Zahl ist, kann k durch eine k am nächsten liegende natürliche Zahl ersetzt werden. Die obere Erfassungsgrenze ULOD für den Bin W gleicht der Sättigungslichtmenge für den Bin W und wird durch den folgenden Ausdruck (14) ausgedrückt.

[Ausdruck 14] $U L O D = B_{s} \cdot α \cdot M$
Daher wird der Dynamikbereich DR als ULOD/LLOD definiert und durch Ausdruck (15) repräsentiert.
[Ausdruck 15] $D R = \frac{B_{s}}{\sqrt{B_{s} + b^{2} \cdot B_{m} + c^{2}}} \cdot \frac{α \cdot M}{3 \cdot N_{r}}$
Wenn die Anzahl der Bits der AD-Wandlung des Bildsensors als BN bezeichnet wird, wird die Auflösung des Digitalsignals zu B_s × BN verbessert, d. h. die Genauigkeit nimmt proportional zu B_s zu.
<Bedingungen für eine hohe Empfindlichkeit und einen hohen Dynamikbereich>
Wie vorstehend beschrieben, wird die höchste Empfindlichkeit erhalten, wenn (B_m =) B_h = B_s = 1 ist. Es ist jedoch abhängig von der Konfiguration des optischen Mehrfarberfassungssystems im Allgemeinen schwierig, B_h = B_s = 1 zu setzen. Daher ist es wichtig, die Empfindlichkeit gegenüber dem Fall B_h = B_s = 1 nicht erheblich zu verringern. Um eine praktisch einsetzbare Empfindlichkeit zu erhalten, muss ein S/N-Wert von 1/3 oder mehr des S/N-Werts erzielt werden, der erhalten wird, wenn B_h = B_s = 1 ist, und die Bedingung dafür wird als erste Bedingung hoher Empfindlichkeit festgelegt. Die erste Bedingung hoher Empfindlichkeit wird anhand Ausdruck (12) durch Ausdruck (16) ausgedrückt.
[Ausdruck 16] $B_{s} \leq (9 - B_{m}) \cdot b^{2} + 8 \cdot c^{2} + 9$
Hier wird Ausdruck (16), wenn B_h = 1 ist, als Ausdruck (17) ausgedrückt.
[Ausdruck 17] $B_{s} \leq \frac{9 \cdot b^{2} + 8 \cdot c^{2} + 9}{b^{2} + 1}$
Wenn B_s = 1 ist, wird Ausdruck (16) als Ausdruck (18) ausgedrückt.
[Ausdruck 18] $B_{h} \leq \frac{9 \cdot b^{2} + 8 \cdot c^{2} + 8}{b^{2}}$
Ferner ist es zum Erhalten einer praktisch besser einsetzbaren Empfindlichkeit erforderlich, ein S/N-Wert von 2/3 oder mehr des S/N-Werts zu erzielen, der erhalten wird, wenn B_h = B_s = 1 ist, und die Bedingung dafür wird als zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit festgelegt. Die zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit wird anhand Ausdruck (12) durch Ausdruck (19) ausgedrückt.
[Ausdruck 19] $B_{s} \leq \frac{(9 - 4 \cdot B_{m}) \cdot b^{2} + 5 \cdot c^{2} + 9}{4}$
Hier wird Ausdruck (19), wenn B_h = 1 ist, als Ausdruck (20) ausgedrückt.
[Ausdruck 20] $B_{s} \leq \frac{9 \cdot b^{2} + 5 \cdot c^{2} + 9}{4 \cdot (b^{2} + 1)}$
Wenn B_s = 1 ist, wird Ausdruck (19) als Ausdruck (21) ausgedrückt.
[Ausdruck 21] $B_{h} \leq \frac{9 \cdot b^{2} + 5 \cdot c^{2} + 5}{4 \cdot b^{2}}$
Andererseits ist es möglich, den Dynamikbereich DR verglichen mit dem Fall B_h = B_s = 1 zu erweitern, indem die Konfiguration des optischen Mehrfarberfassungssystems und die Einstellungen des Binnings, d. h. Hardware-Binnings und Software-Binnings, entsprechend ausgelegt werden. Um einen praktisch einsetzbaren Dynamikbereich DR zu erhalten, muss ein Dynamikbereich DR erhalten werden, der mindestens drei Mal so hoch ist wie der Dynamikbereich DR, der erhalten wird, wenn B_h = B_s = 1 ist, und eine Bedingung dafür wird als erste Bedingung eines hohen Dynamikbereichs festgelegt. Die erste Bedingung eines hohen Dynamikbereichs wird anhand Ausdruck (15) durch Ausdruck (22) ausgedrückt.
[Ausdruck 22] $B_{s} \geq \frac{9 + \sqrt{81 + 36 \cdot α^{2} \cdot (b^{2} + c^{2} + 1) \cdot (B_{m} \cdot b^{2} + c^{2})}}{2 \cdot α^{2} \cdot (b^{2} + c^{2} + 1)}$
Hier wird Ausdruck (22), wenn B_h = 1 ist, als Ausdruck (23) ausgedrückt. Wenn B_s = 1 ist, hat Ausdruck (22) keine Lösung.
[Ausdruck 23] $B_{s} \geq \frac{9 \cdot (b^{2} + 1) + \sqrt{81 \cdot {(b^{2} + 1)}^{2} + 36 \cdot α^{2} \cdot (b^{2} + c^{2} + 1) \cdot c^{2}}}{2 \cdot α^{2} \cdot (b^{2} + c^{2} + 1)}$
Ferner ist es zum Erhalten eines praktisch besser einsetzbaren Dynamikbereichs DR erforderlich, einen Dynamikbereich DR zu erhalten, der mindestens 10 Mal so hoch ist wie der Dynamikbereich DR, der erhalten wird, wenn B_h = B_s = 1 ist, und eine Bedingung dafür wird als zweite Bedingung eines hohen Dynamikbereichs festgelegt. Die zweite Bedingung eines hohen Dynamikbereichs wird anhand Ausdruck (15) durch Ausdruck (24) ausgedrückt.
[Ausdruck 24] $B_{s} \geq \frac{100 + \sqrt{10000 + 400 \cdot α^{2} \cdot (b^{2} + c^{2} + 1) \cdot (B_{m} \cdot b^{2} + c^{2})}}{2 \cdot α^{2} \cdot (b^{2} + c^{2} + 1)}$
Hier wird Ausdruck (24), wenn B_h = 1 ist, als Ausdruck (25) ausgedrückt. Wenn B_s = 1 ist, hat Ausdruck (24) keine Lösung.
[Ausdruck 25] $B_{s} \geq \frac{100 \cdot (b^{2} + 1) + \sqrt{10000 \cdot {(b^{2} + 1)}^{2} + 400 \cdot α^{2} \cdot (b^{2} + c^{2} + 1) \cdot c^{2}}}{2 \cdot α^{2} \cdot (b^{2} + c^{2} + 1)}$
Durch Erfüllen sowohl einer der vorstehenden Bedingungen einer hohen Empfindlichkeit als auch einer der vorstehenden Bedingungen eines hohen Dynamikbereichs können sowohl eine hohe Empfindlichkeit als auch ein hoher Dynamikbereich erreicht werden. Beispielsweise werden sowohl die erste Bedingung einer hohen Empfindlichkeit als auch die erste Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllt, wenn die Ausdrücke (16) und (22) beide erfüllt werden, d. h. indem der folgende Ausdruck (26) erfüllt wird.
[Ausdruck 26] $\frac{9 + \sqrt{81 + 36 \cdot α^{2} \cdot (b^{2} + c^{2} + 1) \cdot (B_{m} \cdot b^{2} + c^{2})}}{2 \cdot α^{2} \cdot (b^{2} + c^{2} + 1)} \leq B_{s} \leq (9 - B_{m}) \cdot b^{2} + 8 \cdot c^{2} + 9$
Alternativ werden sowohl die zweite Bedingung einer hohen Empfindlichkeit als auch die zweite Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllt, wenn die Ausdrücke (19) und (24) beide erfüllt werden, d. h. indem der folgende Ausdruck (27) erfüllt wird.
[Ausdruck 27] $\begin{matrix} \frac{100 + \sqrt{10000 + 400 \cdot α^{2} \cdot (b^{2} + c^{2} + 1) \cdot (B_{m} \cdot b^{2} + c^{2})}}{2 \cdot α^{2} \cdot (b^{2} + c^{2} + 1)} \leq B_{s} \\ \leq \frac{(9 - 4 \cdot B_{m}) \cdot b^{2} + 5 \cdot c^{2} + 9}{4} \end{matrix}$
Natürlich kann eine Wirkung erhalten werden, indem sowohl Ausdruck (16) als auch Ausdruck (24) oder sowohl Ausdruck (19) als auch Ausdruck (22) erfüllt werden. Es sei bemerkt, dass es abhängig von den Bedingungen des Dunkelstrom-Rauschverhältnisses b, des Schrotrauschverhältnisses c und der Anzahl der Pixel B_m keine Lösung geben kann, die diese Bedingungen beide erfüllt.
Geeignete Bereiche von B_h und B_s für das Erhalten einer hohen Empfindlichkeit oder eines hohen Dynamikbereichs werden durch die vorstehenden Ausdrücke (16) bis (27) repräsentiert. Gleichzeitig müssen sowohl „1 ≤ B_h ≤ B_m und B_h ist eine natürliche Zahl“, „1 ≤ B_s ≤ B_m und B_s ist eine natürliche Zahl“ und „B_m = B_h × B_s“ erfüllt sein.
Als nächstes wird ein Fall betrachtet, in dem B_h = 1 ist. Ausdruck (8) wird in den folgenden Ausdruck (28) umgewandelt.
[Ausdruck 28] $N^{2} = B_{s} \times (N_{r}^{2} + N_{d}^{2}) + N_{s}^{2}$
Hier wird das gemischte Rauschen N_x des Ausleserauschens und des Dunkelstromrauschens pro Einzelpixel durch Ausdruck (29) definiert.

[Ausdruck 29] $N_{x}^{2} = N_{r}^{2} + N_{d}^{2}$
Das Schrotrausch-Mischverhältnis a wird durch Ausdruck (30) ausgedrückt.

[Ausdruck 30] $α = N_{s} / N_{x}$
Hier wird a² durch Ausdruck (31) ausgedrückt.

[Ausdruck 31] $α^{2} = \frac{c^{2}}{1 + b^{2}}$
Ausdruck (28) wird in Ausdruck (32) umgewandelt.

[Ausdruck 32] $N^{2} = (B_{s} + α^{2}) \times N_{x}^{2}$
Daher wird das S/N in Ausdruck (12) durch Ausdruck (33) ausgedrückt.

[Ausdruck 33] $\frac{S}{N} = \frac{1}{\sqrt{B_{s} + α^{2}}} \cdot \frac{S}{N_{x}}$
Der Dynamikbereich DR von Ausdruck (15) wird durch Ausdruck (34) ausgedrückt.

[Ausdruck 34] $D R = \frac{B_{s}}{\sqrt{B_{s} + α^{2}}} \cdot \frac{α \cdot M}{3 \cdot N_{x}}$
Folglich wird die erste Bedingung hoher Empfindlichkeit von Ausdruck (17) durch Ausdruck (35) ausgedrückt.
[Ausdruck 35] $B_{s} \leq 9 + 8 \cdot α^{2}$
Die zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit von Ausdruck (20) wird durch Ausdruck (36) ausgedrückt.
[Ausdruck 36] $B_{s} \leq \frac{5 \cdot α^{2} + 9}{4}$
Andererseits wird die erste Bedingung eines hohen Dynamikbereichs von Ausdruck (23) durch Ausdruck (37) ausgedrückt.
[Ausdruck 37] $B_{s} \geq \frac{9 + \sqrt{81 + 36 \cdot α^{2} \cdot (α^{2} + 1) \cdot α^{2}}}{2 \cdot α^{2} \cdot (α^{2} + 1)}$
Die zweite Bedingung eines hohen Dynamikbereichs von Ausdruck (25) wird durch Ausdruck (38) ausgedrückt.

[Ausdruck 38] $B_{s} \geq \frac{100 + \sqrt{1000 + 400 \cdot α^{2} \cdot (α^{2} + 1) \cdot α^{2}}}{2 \cdot α^{2} \cdot (α^{2} + 1)}$
<Bin-Zusammenführung>
Vorstehend wurden die Bedingungen zum Erreichen einer hohen Empfindlichkeit und eines hohen Dynamikbereichs für jeden der F Bins W(f) (f = 1, 2, ... und F), die von einem lichtemittierenden Punkt in verschiedenen Wellenlängenbändern emittierte Fluoreszenzkomponenten messen, untersucht. Die Signalintensität X(f) (f = 1, 2, ... und F) in jedem Bin W(f) wird durch Integrieren der Signalintensitäten der den Bin W(f) bildenden einzelnen Pixel nach Ausdruck (7) erhalten. Die erhaltene Signalintensität X(f) bildet X in Ausdruck (2). Die Konzentration Z(g) (g = 1, 2, ... und G) der G Fluorophortypen wird durch den Vorgang (die Farbwandlung) von Ausdruck (6) abgeleitet. Ausdruck (6) gibt an, dass die Konzentration Z(g) eine Linearkombination der Signalintensitäten X(1), X(2), ... und X(F) ist, d .h. die Konzentration Z(g) eine Art von Integration der Signalintensitäten X(1), X(2), ... und X(F) ist. In einem Fall, in dem mehrere der Signalintensitäten X(1), X(2), ... und X(F) beim Messen der Fluoreszenzemission des Fluorophors D(g) nahe beieinander liegende Werte aufweisen, werden die mehreren Signalintensitäten durch Ausdruck (6) gleichermaßen integriert. Daher kann es angemessener werden, Bedingungen zum Erhalten einer hohen Empfindlichkeit und eines hohen Dynamikbereichs auf der Grundlage jedes sich aus dem Zusammenführen von mehreren Bins W(f) (oder mehreren Pixeln) ergebenden zusammengeführten Bins WW als auf der Grundlage jedes einzelnen Bins W(f) (oder jedes einzelnen Pixels) zu erwägen. Ein zusammengeführter Bin WW kann einfach als Bin W bezeichnet werden. Als nächstes wird ein Bin-Zusammenführungsverfahren, durch das W(f) (oder dessen Pixel) in den zusammengeführten Bin WW aufgenommen werden, betrachtet. Es sei bemerkt, dass derselbe Bin W(f) für mehrere verschiedene Fluorophore in jeden der verschiedenen zusammengeführten Bins WW aufgenommen werden kann.
Die Elemente Y(1)(g), Y(2)(g), ... und Y(F)(g) der g-ten Spalte der Matrix Y von Ausdruck (3) geben die Verhältnisse an, bei denen die Lichtemission des Fluorophors D(g) zu den Signalintensitäten X(1), X(2), ... und X(F) der jeweiligen Bins W(f) beiträgt. Diese Elemente werden so normiert, dass die Summe nach Ausdruck (5) 1 ist, hier werden diese Elemente jedoch so normiert, dass der Maximalwert dieser Elemente 1 ist. Die auf diese Weise normierten Elemente werden als [Y(1)(g)], [Y(2)(g)], ... und [Y(F)(g)] ausgedrückt.
Bei einem ersten Bin-Zusammenführungsverfahren wird für jedes Fluorophor D(g), wenn [Y(f₁)(g)] = 1 ist, nur der Bin W(f₁) in den zusammengeführten Bin WW aufgenommen. Dieses Verfahren folgt dem vorstehend beschriebenen Verfahren, bei dem der zusammengeführte Bin WW nicht eingeführt wurde. Anders als im vorstehend erwähnten Fall ist es bei einem beliebigen Bin W(f₀) mit [Y(f₀)(g)] ≠ 1 nicht erforderlich, eine Bedingung zum Erhalten einer hohen Empfindlichkeit und eines hohen Dynamikbereichs zu berücksichtigen.
Bei einem zweiten Bin-Zusammenführungsverfahren werden für jedes Fluorophor D(g), wenn [Y(f_j)(g)] ≥ 0,9 (j = 1, 2, ... und J) ist, die Bins W(f_j) (j = 1, 2, ... und J) in den zusammengeführten Bin WW aufgenommen. Ähnlich ist es bei einem beliebigen Bin W(f₀), der [Y(f₀)(g)] < 0,9 erfüllt, nicht erforderlich, eine Bedingung zum Erhalten einer hohen Empfindlichkeit und eines hohen Dynamikbereichs zu berücksichtigen.
Bei einem dritten Bin-Zusammenführungsverfahren werden für jedes Fluorophor D(g), wenn [Y(f_j)(g)] ≥ 0,8 (j = 1, 2, ... und J) ist, die Bins W(f_j) (j = 1, 2, ... und J) in den zusammengeführten Bin WW aufgenommen. Ähnlich ist es bei einem beliebigen Bin W(f₀), der [Y(f₀)(g)] < 0,8 erfüllt, nicht erforderlich, eine Bedingung zum Erhalten einer hohen Empfindlichkeit und eines hohen Dynamikbereichs zu berücksichtigen.
Bei einem vierten Bin-Zusammenführungsverfahren werden für jedes Fluorophor D(g), wenn [Y(f_j)(g)] ≥ 0,5 (j = 1, 2, ... und J) ist, die Bins W(f_j) (j = 1, 2, ... und J) in den zusammengeführten Bin WW aufgenommen. Ähnlich ist es bei einem beliebigen Bin W(f₀), der [Y(f₀)(g)] < 0,5 erfüllt, nicht erforderlich, eine Bedingung zum Erhalten einer hohen Empfindlichkeit und eines hohen Dynamikbereichs zu berücksichtigen. Das heißt, dass beim ersten bis vierten Bin-Zusammenführungsverfahren jeder Bin W(f) mit einem höheren Beitragsanteil zu den Signalintensitäten X(1), X(2), ... und X(f) durch die Fluoreszenzemission des Fluorophors D(g) in den zusammengeführten Bin WW aufgenommen wird.
Dagegen werden bei einem fünften Bin-Zusammenführungsverfahren für jedes Fluorophor D(g) alle Bins W(f) (f = 1, 2, ... und F) in den zusammengeführten Bin WW aufgenommen. Beim ersten bis fünften Bin-Zusammenführungsverfahren ist es lediglich erforderlich, die Ausdrücke (8) bis (38) unverändert zu erfüllen, um sowohl die Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die Bedingung eines hohen Dynamikbereichs zu erfüllen. Hier ist es angemessen, einen zusammengeführten Bin WW praktisch als einzelnen Bin W zu betrachten. Das heißt, dass die Anzahl der den zusammengeführten Bin WW bildenden Pixel als B_m bezeichnet wird. Der Durchschnittswert der Anzahl der Pixel von (mehreren) Hardware-Binning-Gebieten im zusammengeführten Bin WW wird als B_h bezeichnet. Die Anzahl der Pixel des Software-Binnings im zusammengeführten Bin WW wird als B_s bezeichnet. Es gilt B_m = B_h × B_s. Dadurch könnten sowohl die Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die Bedingung eines hohen Dynamikbereichs ähnlich wie oben erreicht werden. Nachfolgend wird das vorstehend Beschriebene für das fünfte Bin-Zusammenführungsverfahren beschrieben.
Für jeden lichtemittierenden Punkt P(e) (e = 1, 2, ... und E) wird die Anzahl der Pixel im Bin W(f) (f = 1, 2, ... und F) als B_m(f) bezeichnet, die Anzahl der Pixel des Hardware-Binnings im Bin W(f) als B_h(f) bezeichnet und die Anzahl der Pixel des Software-Binnings im Bin W(f) als B_s(f) bezeichnet. Ähnlich wie vorstehend erwähnt gelten B_m(f) = B_h(f) × B_s(f), 1 ≤ B_h(f) ≤ B_m(f), 1 ≤ B_s(f) ≤ B_m(f) und sind sowohl B_h(f) als auch B_s(f) natürliche Zahlen. Unter der Annahme, dass die im zusammengeführten Bin WW, der aus einer Kombination der Bins W(1), W(2), ... und W(f) besteht, integrierte Signalintensität XX ist, wird das Gesamtrauschen N durch Modifizieren von Ausdruck (11) durch Ausdruck (39) ausgedrückt.

[Ausdruck 39] $N^{2} = {\sum_{f = 1}^{F} B_{s} (f) + b^{2} \times \sum_{f = 1}^{F} B_{m} (f) + c^{2}} \times N_{r}^{2}$
Hier folgen das Dunkelstrom-Rauschverhältnis b, das Schrotrauschverhältnis c und das Ausleserauschen N_r den gleichen Definitionen wie zuvor beschrieben, und sie weisen die gleichen Werte wie zuvor beschrieben auf. Wenn die im zusammengeführten Bin WW gemessene Gesamtlichtmenge als Signal S definiert wird, wird S/N im zusammengeführten Bin WW durch Ausdruck (40) ausgedrückt, der durch Modifizieren des Ausdrucks (12) erhalten wird.

[Ausdruck 40] $\frac{S}{N} = \frac{1}{\sqrt{\sum_{f = 1}^{F} B_{s} (f) + b^{2} \times \sum_{f = 1}^{F} B_{m} (f) + c^{2}}} \cdot \frac{S}{N_{r}}$
Wenn die Lichtmenge S, bei der S/N = 3 ist, als untere Erfassungsgrenze LLOD für den zusammengeführten Bin WW festgelegt wird, wird LLOD durch Ausdruck (41) ausgedrückt, der durch Modifizieren von Ausdruck (13) erhalten wird.

[Ausdruck 41] $L L O D = \sqrt{\sum_{f = 1}^{F} B_{s} (f) + b^{2} \times \sum_{f = 1}^{F} B_{m} (f) + c^{2}} \times 3 \cdot N_{r}$
Die obere Erfassungsgrenze ULOD für den Bin WW, d. h. die Sättigungslichtmenge für den Bin WW, wird durch Ausdruck (42) ausgedrückt, der eine Modifikation von Ausdruck (14) ist.

[Ausdruck 42] $U L O D = \sum_{f = 1}^{F} B_{s} (f) \cdot α \cdot M$
Hier folgen der Sättigungslichtmengenkoeffizient α und die Sättigungslichtmenge M pro Einzelpixel derselben Definition wie vorstehend beschrieben, und sie haben den gleichen Wert wie vorstehend beschrieben. Dann wird der Dynamikbereich DR durch ULOD/LLOD ausgedrückt und durch Modifizieren von Ausdruck (15) durch Ausdruck (43) ausgedrückt.

[Ausdruck 43] $D R = \frac{\sum_{f = 1}^{F} B_{s} (f)}{\sqrt{\sum_{f = 1}^{F} B_{s} (f) + b^{2} \times \sum_{f = 1}^{F} B_{m} (f) + c^{2}}} \cdot \frac{α \cdot M}{3 \cdot N_{r}}$
Durch wie folgt geschehendes Definieren der Ausdrücke (44) bis (47) werden die Ausdrücke (8) bis (38) unverändert festgelegt. Tatsächlich sind, wenn die Ausdrücke (44) bis (47) verwendet werden, die Ausdrücke (11) und (39) gleich, die Ausdrücke (12) und (40) gleich, die Ausdrücke (13) und (41) gleich, die Ausdrücke (14) und (42) gleich und die Ausdrücke (15) und (43) gleich. Diese sowie andere Ausdrücke dienen lediglich als Beispiele. Das heißt, dass in einem Fall, in dem eine Kombination mehrerer Bins W(f) (oder mehrerer Pixel) ein zusammengeführter Bin WW ist, Bedingungen für den zusammengeführten Bin WW zur Erfüllung der Bedingung hoher Empfindlichkeit und der Bedingung eines hohen Dynamikbereichs durch Definieren der Ausdrücke (44) bis (47) durch die Ausdrücke (8) bis (38) angegeben werden.

[Ausdruck 44] $B_{m} (f) = B_{h} (f) \times B_{s} (f)$

[Ausdruck 45] $B_{h} = \sum_{f = 1}^{F} B_{h} (f)$

[Ausdruck 46] $B_{s} = \sum_{f = 1}^{F} B_{s} (f)$

[Ausdruck 47] $B_{m} = \sum_{f = 1}^{F} B_{m} (f) = \sum_{f = 1}^{F} {B_{h} (f) \times B_{s} (f)}$
Überdies wird für das erste bis vierte Bin-Zusammenführungsverfahren nur der Zusammenführungsbereich der Bins W(f) (f = 1, 2, ... und F) geändert und gelten die Ausdrücke (8) bis (38) unverändert, falls die Zusammenführungsbereiche der Ausdrücke (44) bis (47) entsprechend geändert werden.
<Berücksichtigung der Belichtungszeit>
In der vorstehenden Beschreibung wurden für einen Fall, in dem die Fluoreszenzmessung durch den Bildsensor wiederholt mit einer konstanten Belichtungszeit ausgeführt wird, die Empfindlichkeit und der Dynamikbereich untersucht und Bedingungen zum Erreichen sowohl einer hohen Empfindlichkeit als auch eines hohen Dynamikbereichs verdeutlicht. In dieser Untersuchung lassen sich durch Steuern der Belichtungszeit ferner auf einfache Weise sowohl eine hohe Empfindlichkeit als auch ein hoher Dynamikbereich erreichen und wird der Bereich geeigneter Bedingungen erweitert. Im Allgemeinen ermöglicht eine Verkürzung der Belichtungszeit eine Erhöhung der oberen Erfassungsgrenze ULOD für den Bin W, so dass eine höhere Emissionsintensität ohne Sättigung gemessen werden kann. Andererseits nimmt, wenn die Belichtungszeit verkürzt wird, die Anzahl der Auslesungen zu, und es nimmt demgemäß das Rauschen und entsprechend auch die untere Erfassungsgrenze LLOD für den Bin W zu. Falls alternativ die Anzahl der Auslesungen nicht erhöht wird, während die Belichtungszeit verkürzt wird, nimmt das gemessene Signal ab, so dass auch die untere Erfassungsgrenze LLOD ansteigt. Das heißt, dass bei einer Verkürzung der Belichtungszeit die Empfindlichkeit abnehmen kann und in manchen Fällen auch der Dynamikbereich abnehmen kann. Daher können durch Auswählen einer optimalen Belichtungszeit anstelle einer einfachen Verkürzung der Belichtungszeit sowohl eine hohe Empfindlichkeit als auch ein hoher Dynamikbereich erreicht werden.
Die bisher angenommene konstante Belichtungszeit wird als Standardbelichtungszeit T definiert. Die Standardbelichtungszeit T wird gleichermaßen in µ (Teilungszahl) verkürzte Belichtungszeiten t unterteilt. Alternativ wird die Standardbelichtungszeit T zu einer verlängerten Belichtungszeit t, d. h. 1/µ der Standardbelichtungszeit, erhöht. Hier wird die Standardbelichtungszeit T unter der Annahme, dass die Datenauslesezeit vom Bildsensor 0 ist und es keinen Zeitverlust durch die Teilung gibt, durch Ausdruck (48) ausgedrückt.
[Ausdruck 48] $T = μ \times t$
Die Teilungszahl µ ist positiv, jedoch nicht unbedingt eine natürliche Zahl. Wenn µ ≥ 1 ist, ist T ≥ t erfüllt, so dass t eine verkürzte Belichtungszeit repräsentiert. Wenn 0 < µ < 1 ist, ist T < t erfüllt, weshalb t eine verlängerte Belichtungszeit repräsentiert. Die folgende Beschreibung gilt unabhängig davon, ob µ ≥ 1 ist oder 0 < µ < 1 ist. Aus Gründen der Einfachheit wird t als verkürzte Belichtungszeit bezeichnet. Im Fall µ ≥ 1 kann ein Signal, das dem mit der Standardbelichtungszeit T gemessenen Signal gleicht, durch Integrieren der µ mit der verkürzten Belichtungszeit t gemessenen Signale durch den Computer erhalten werden. Hier werden in der Einheitsbelichtungszeit das Ausleserauschen pro Einzelpixel als n_r bezeichnet, das Dunkelstromrauschen pro Einzelpixel als n_d bezeichnet und das Schrotrauschen des vom lichtemittierenden Punkt emittierten und im Bin W gemessenen Hintergrundlichts als n_s bezeichnet. Ferner wird das Dunkelstromrauschverhältnis b₀ in der Einheitsbelichtungszeit durch Ausdruck (49) ausgedrückt.

[Ausdruck 49] $b_{0} = n_{d} / n_{r}$
Ähnlich wird das Schrotrauschverhältnis c₀ in der Einheitsbelichtungszeit durch Ausdruck (50) ausgedrückt.

[Ausdruck 50] $c_{0} = n_{s} / n_{r}$
Dann sind in der verkürzten Belichtungszeit t das Ausleserauschen pro Einzelpixel n_r, das Dunkelstromrauschen pro Einzelpixel t × n_d = t × b₀ × n_r und das Schrotrauschen aller im Bin W gemessenen Lichtemissionen t^0,5 × n_s = t^0,5 × c₀ × n_r. Dementsprechend wird das Gesamtrauschen n in der verkürzten Belichtungszeit t für den Bin W durch Modifizieren der Ausdrücke (8) und (11) durch Ausdruck (51) ausgedrückt.

[Ausdruck 51] $n^{2} = B_{s} \times n_{r}^{2} + B_{h} \times B_{s} \times t^{2} \times n_{d}^{2} + t \times n_{s}^{2} = (B_{s} + t^{2} \times b_{0}^{2} \times B_{m} + t \times c_{0}^{2}) \times n_{r}^{2}$
Andererseits sind in der Standardbelichtungszeit T das Ausleserauschen pro Einzelpixel N_r = n_r, das Dunkelstromrauschen pro Einzelpixel N_d = T × n_d und das Schrotrauschen der gesamten im Bin W gemessenen Lichtemission N_s = T^0,5 × n_s. Dann wird das Dunkelstrom-Rauschverhältnis b durch Ausdruck (52) ausgedrückt.

[Ausdruck 52] $b = N_{d} / N_{r} = T \times b_{0}$
Das Schrotrauschverhältnis c wird durch Ausdruck (53) ausgedrückt.

[Ausdruck 53] $c = N_{s} / N_{r} = \sqrt{T} \times c_{0}$
Daher wird für den Bin W das Gesamtrauschen N des durch Integrieren von µ mit der verkürzten Belichtungszeit t gemessenen Signalen durch den Computer erhaltenen Signals, das dem mit der Standardbelichtungszeit T erhaltenen Signal entspricht, durch Modifizieren der Ausdrücke (8) und (11) durch Ausdruck (54) ausgedrückt.

[Ausdruck 54] $\begin{matrix} N^{2} = μ \times n^{2} = μ \times (B_{s} + t^{2} \times b_{0}^{2} \times B_{m} + t \times c_{0}^{2}) \times n_{r}^{2} \\ = (μ \times B_{s} + \frac{1}{μ} \times b^{2} \times B_{m} + c^{2}) \times N_{r}^{2} \end{matrix}$
Dementsprechend wird das S/N für den Bin W durch Modifizieren von Ausdruck (12) durch Ausdruck (55) ausgedrückt.

[Ausdruck 55] $\frac{S}{N} = \frac{1}{\sqrt{μ \cdot B_{s} + \frac{1}{μ} \cdot b^{2} \cdot B_{m} + c^{2}}} \cdot \frac{S}{N_{r}}$
Daher wird die untere Erfassungsgrenze LLOD für den Bin W durch Modifizieren von Ausdruck (13) durch Ausdruck (56) ausgedrückt.

[Ausdruck 56] $L L O D = \sqrt{μ \cdot B_{s} + \frac{1}{μ} \cdot b^{2} \cdot B_{m} + c^{2}} \times 3 \cdot N_{r}$
Andererseits wird die obere Erfassungsgrenze ULOD des Bins W durch Modifizieren von Ausdruck (14) durch Ausdruck (57) ausgedrückt.

[Ausdruck 57] $U L O D = μ \cdot B_{s} \cdot α \cdot M$
Daher wird der Dynamikbereich DR durch Modifizieren von Ausdruck (15) durch Ausdruck (58) ausgedrückt.

[Ausdruck 58] $D R = \frac{μ \cdot B_{s}}{\sqrt{μ \cdot B_{s} + \frac{1}{μ} \cdot b^{2} \cdot B_{m} + c^{2}}} \cdot \frac{α \cdot M}{3 \cdot N_{r}}$
Auf der Grundlage des vorstehend Erwähnten werden Bedingungen zum Erreichen sowohl einer hohen Empfindlichkeit als auch eines hohen Dynamikbereichs durch Steuern der Belichtungszeit definiert. Hier werden S/N und DR durch Vergleichen von S/N und DR bei B_h = B_s = 1 bei der Standardbelichtungszeit T beurteilt. Die erste Bedingung hoher Empfindlichkeit wird durch Modifizieren von Ausdruck (16) durch Ausdruck (59) ausgedrückt.

[Ausdruck 59] $B_{s} \leq \frac{(9 - \frac{1}{μ} \cdot B_{m}) \cdot b^{2} + 8 \cdot c^{2} + 9}{μ}$
Die erste Bedingung hoher Empfindlichkeit, wenn B_h = 1 ist, wird durch Modifizieren von Ausdruck (17) durch Ausdruck (60) ausgedrückt.

[Ausdruck 60] $B_{s} \leq \frac{9 \cdot b^{2} + 8 \cdot c^{2} + 9}{\frac{1}{μ} \cdot b^{2} + μ}$
Die erste Bedingung hoher Empfindlichkeit, wenn B_s = 1 ist, wird durch Modifizieren von Ausdruck (18) durch Ausdruck (61) ausgedrückt.

[Ausdruck 61] $B_{h} \leq \frac{9 \cdot b^{2} + 8 \cdot c^{2} + 9 - μ}{\frac{1}{μ} \cdot b^{2}}$
Die zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit wird durch Modifizieren von Ausdruck (19) durch Ausdruck (62) ausgedrückt.

[Ausdruck 62] $B_{s} \leq \frac{(9 - \frac{4}{μ} \cdot B_{m}) \cdot b^{2} + 5 \cdot c^{2} + 9}{4 \cdot μ}$
Die zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit, wenn B_h = 1 ist, wird durch Modifizieren von Ausdruck (20) durch Ausdruck (63) ausgedrückt.

[Ausdruck 63] $B_{s} \leq \frac{9 \cdot b^{2} + 5 \cdot c^{2} + 9}{4 \cdot (\frac{1}{μ} \cdot b^{2} + μ)}$
Die zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit, wenn B_s = 1 ist, wird durch Modifizieren von Ausdruck (21) durch Ausdruck (64) ausgedrückt.

[Ausdruck 64] $B_{h} \leq \frac{9 \cdot b^{2} + 5 \cdot c^{2} + 9 - 4 \cdot μ}{\frac{4}{μ} \cdot b^{2}}$
Andererseits wird die erste Bedingung eines hohen Dynamikbereichs durch Modifizieren von Ausdruck (22) durch Ausdruck (65) ausgedrückt.

[Ausdruck 65] $B_{s} \geq \frac{9 + \sqrt{81 + 36 \cdot α^{2} \cdot (b^{2} + c^{2} + 1) \cdot (\frac{1}{μ} \cdot B_{m} \cdot b^{2} + c^{2})}}{2 \cdot α^{2} \cdot μ \cdot (b^{2} + c^{2} + 1)}$
Die erste Bedingung eines hohen Dynamikbereichs, wenn B_h = 1 ist, wird durch Modifizieren von Ausdruck (23) durch Ausdruck (66) ausgedrückt.

[Ausdruck 66] $B_{s} \geq \frac{9 \cdot (\frac{1}{μ} \cdot b^{2} + μ) + \sqrt{81 \cdot {(\frac{1}{μ} \cdot b^{2} + μ)}^{2} + 36 \cdot α^{2} \cdot μ^{2} \cdot (b^{2} + c^{2} + 1) \cdot c^{2}}}{2 \cdot α^{2} \cdot μ^{2} \cdot (b^{2} + c^{2} + 1)}$
Die zweite Bedingung eines hohen Dynamikbereichs wird durch Modifizieren von Ausdruck (24) durch Ausdruck (67) ausgedrückt.

[Ausdruck 67] $B_{s} \geq \frac{100 + \sqrt{10000 + 400 \cdot α^{2} \cdot (b^{2} + c^{2} + 1) \cdot (\frac{1}{μ} \cdot B_{m} \cdot b^{2} + c^{2})}}{2 \cdot α^{2} \cdot μ \cdot (b^{2} + c^{2} + 1)}$
Ähnlich wie zuvor werden durch geeignetes Kombinieren der vorstehenden Ausdrücke (59) bis (67) die Rauschbedingung und die Binning-Bedingung zum Erreichen sowohl einer hohen Empfindlichkeit als auch eines hohen Dynamikbereichs abgeleitet.
<Modifikation der Bedingung eines hohen Dynamikbereichs>
In der vorstehenden Beschreibung wurden die erste Bedingung eines hohen Dynamikbereichs und die zweite Bedingung eines hohen Dynamikbereichs untersucht. Zusätzlich dazu ist ein Verfahren zum Definieren des Absolutwerts des Dynamikbereichs bei der praktischen Verwendung sehr wirksam. Ein gegenwärtig im Handel erhältliches Kapillarelektrophoreseinstrument für die DNA-Analyse hat einen Dynamikbereich DR von etwa 1000, und sein Anwendungsbereich ist daher beschränkt. Um einen praktisch einsetzbaren Dynamikbereich zu erhalten und den Anwendungsbereich zu erweitern, ist ein Dynamikbereich DR von mindestens 3000 erforderlich, und eine Bedingung dafür wird als dritte Bedingung eines hohen Dynamikbereichs festgelegt. Die dritte Bedingung eines hohen Dynamikbereichs wird durch Ausdruck (68) ausgedrückt.

[Ausdruck 68] $D R \geq 3000$
Wenn beispielsweise Ausdruck (68) in den vorstehend beschriebenen Ausdrücken (15), (34), (43) oder (58) und den nachstehend beschriebenen Ausdrücken (81) oder (85) erfüllt ist, ist die dritte Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllt. Ferner ist zum Erhalten eines praktisch besser anwendbaren Dynamikbereichs DR und zum weiteren Vergrößern des Anwendungsbereichs ein Dynamikbereich DR von mindestens 10000 erforderlich, und eine Bedingung dafür wird als vierte Bedingung eines hohen Dynamikbereichs festgelegt. Die vierte Bedingung eines hohen Dynamikbereichs wird durch Ausdruck (69) ausgedrückt.

[Ausdruck 69] $D R \geq 10000$
Wenn beispielsweise Ausdruck (69) in den vorstehend beschriebenen Ausdrücken (15), (34), (43) oder (58) und den nachstehend beschriebenen Ausdrücken (81) oder (85) erfüllt ist, ist die vierte Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllt.
[Beispiel 1]
<Grundbedingungen>
1 ist ein Konfigurationsdiagramm eines Multikapillarelektrophoreseinstruments, wobei es sich um ein Beispiel eines Analysators handelt. Ein Multikapillarelektrophoreseinstrument wird weitverbreitet als analytisches Instrument verwendet, das eine DNA-Sequenzierung und eine DNA-Fragmentanalyse ausführt. Das Multikapillarelektrophoreseinstrument weist eine Kapillare 1, eine Kathode 4, eine Anode 5, eine kathodenseitige Pufferlösung 6, eine anodenseitige Pufferlösung 7, eine Stromversorgung 8, einen Pumpenblock 9, ein Ventil 10, eine Spritze 11, eine Laserlichtquelle 12, ein optisches Mehrfarberfassungssystem 15 und einen Computer 10 auf. Der Computer 100 steuert den gesamten Betrieb des Multikapillarelektrophoreseinstruments. Der Computer 100 weist eine Benutzerschnittstelle auf und ist ausgelegt, eine später beschriebene Binning-Bedingung festzulegen. Der Computer 100 ist ausgelegt, die Zeitreihendaten der vom optischen Mehrfarberfassungssystem 15 erfassten Fluoreszenzen zu analysieren und Proben für die DNA-Sequenzierung zu analysieren, indem er ein in einem Speicher (nicht dargestellt) gespeichertes Programm ausführt.
Bei diesem Beispiel wurde die DNA-Sequenzierung von vier verschiedenen Proben unter Verwendung von E = 4 Kapillaren 1 in diesen ausgeführt. Jede Kapillare 1 weist einen Außendurchmesser von 360 µm und einen Innendurchmesser von 50 µm auf. Jede Probe für die DNA-Sequenzierung besteht aus mit G = 4 Fluorophoren markierten DNA-Fragmenten.
Es wird eine Analysesitzung mit den folgenden Schritten (1) bis (6) ausgeführt.

(1) Zuerst werden Probeneinspritzenden 2 der E = 4 Kapillaren 1 in die kathodenseitige Pufferlösung 6 eingetaucht. Probenelutionsenden 3 werden durch eine Polymerlösung Ω1 im Pumpenblock 9 in die anodenseitige Pufferlösung 7 eingetaucht.
(2) Als nächstes wird das Ventil 10 des Pumpenblocks 9 geschlossen und wird dann die Polymerlösung Ω1 im Pumpenblock 9 durch Herunterdrücken des Kolbens der Spritze 11, der mit dem Pumpenblock 9 verbunden ist, unter Druck gesetzt. Dadurch wird die Polymerlösung Ω1 vom Probenelutionsende 3 zum Probeneinspritzende 2 hin in jede Kapillare 1 eingefüllt.
(3) Anschließend wird das Ventil 10 geöffnet, und es wird dann eine andere Probe elektrokinetisch vom Probeneinspritzende 2 in jede Kapillare 1 eingespritzt. Danach wird eine Hochspannung von der Stromversorgung 8 an die Kathode 4 und die Anode 5 angelegt, um eine Kapillarelektrophorese auszuführen. Die mit G = 4 Fluorophortypen in jeder Probe markierten DNA-Fragmente werden vom Probeneinspritzende 2 zum Probenelutionsende 3 in jeder Kapillare 1 hin einer Elektrophorese unterzogen.
(4) Eine Position jeder Kapillare 1 in einem gewissen Elektrophoreseabstand vom Probeneinspritzende 2 wird als lichtemittierender Punkt 14 definiert. Parallel zu Schritt (3) wird jeder lichtemittierende Punkt 14 gemeinsam mit einem von der Laserlichtquelle 12 abgestrahlten Laserstrahl 13 mit einer Ausgangsleistung von 5 mW und einer Wellenlänge von 505 nm bestrahlt. Die Beschichtung jeder Kapillare 1 in der Umgebung des lichtemittierenden Punkts 14 wird vorab entfernt. Die Kapillaren 1 in der Umgebung der lichtemittierenden Punkte 14 befinden sich in derselben Ebene (einer Anordnungsebene). Der Laserstrahl 13 wird auf etwa φ = 50 µm verschmälert und dann von der Seite der Anordnungsebene entlang dieser eingeleitet.
(5) Dann werden die mit G = 4 Fluorophortypen markierten DNA-Fragmente innerhalb jeder Kapillare 1 einer Elektrophorese unterzogen. Die Fluorophore werden, wenn sie durch jeden lichtemittierenden Punkt 14 treten, mit dem Laserstrahl 13 bestrahlt, wodurch sie zur Emission von Fluoreszenz angeregt werden. Das heißt, dass von E = 4 lichtemittierenden Punkten 14 G = 4 Fluorophortypen Fluoreszenz emittieren und sich die Intensität der jeweiligen Fluoreszenzen bei der Elektrophorese von Moment zu Moment ändert.
(6) Schließlich werden die von den jeweiligen lichtemittierenden Punkten 14 emittierten Fluoreszenzen durch das optische Mehrfarberfassungssystem 15 gemessen. Die Zeitreihendaten werden vom Computer 100 erhalten und analysiert, um eine DNA-Sequenzierung für die in jede Kapillare 1 eingespritzte Probe auszuführen. Die Größe und die Form jedes lichtemittierenden Punkts 14 sind durch 50 µm im Quadrat gegeben, weil der Innendurchmesser jeder Kapillare 1 50 µm ist und der Durchmesser des Laserstrahls auch 50 µm ist. Das optische Mehrfarberfassungssystem 15 befindet sich in 1 auf der Rückseite der lichtemittierenden Punkte 14.

2A ist ein Diagramm, das ein Konfigurationsbeispiel des optischen Mehrfarberfassungssystems 15 zeigt. 2A zeigt das von der Seite der Anordnungsebene der vier Kapillaren 1, d. h. aus der Richtung der Laserlichtquelle 12 in 1, betrachtete optische Mehrfarberfassungssystem 15. Das optische Mehrfarberfassungssystem 15 weist eine erste Kameralinse 16, ein Langpassfilter 17, ein Transmissionsbeugungsgitter 18, eine zweite Kameralinse 19 und einen Bildsensor 20 auf.
Die von jedem der lichtemittierenden Punkte 14 emittierte Fluoreszenz 22 wird von der ersten Kameralinse 16 mit einer Brennweite von f₁ = 50 mm kollimiert. Licht mit einer Laserwellenlänge von 505 nm wird durch das Langpassfilter 17 abgeschnitten. Dann wird eine Wellenlängendispersion durch das Transmissionsbeugungsgitter 18 mit einer Gitterfrequenz von N = 600 Linien/mm ausgeführt. Ein Bild der Fluoreszenz 22 wird auf dem Bildsensor 20 mit der gleichen Vergrößerung durch die zweite Kameralinse 19 mit einer Brennweite von f₂ = 50 mm erzeugt. Beim vorliegenden Beispiel wird eine CCD mit einer Pixelgröße von 24 µm im Quadrat als Bildsensor 20 verwendet. Das Sättigungslichtmengenverhältnis des Bildsensors 20 ist k = 1. Die Richtung der Wellenlängendispersion (Wellenlängendispersionsrichtung) verläuft parallel zur langen Achse jeder Kapillare 1, d. h. senkrecht zur Richtung, in der die lichtemittierenden Punkte 14 angeordnet sind (Anordnungsrichtung der lichtemittierenden Punkte). Eine optische Achse 21 des optischen Mehrfarberfassungssystems 15 wird jedoch durch das Transmissionsbeugungsgitter 18, wie in 2A dargestellt, in Richtung der Beugung erster Ordnung gebeugt. Unterschiedliche Wellenlängenkomponenten der kollimierten Fluoreszenz 22 werden durch wellenlängendispergierte Fluoreszenzen 23, 24 und 25 dispergiert.
2B ist ein schematisches Diagramm eines vom Bildsensor 20 erfassten Gesamtbilds 26. 2B zeigt vier wellenlängendispergierte Bilder 27 der von den E = 4 lichtemittierenden Punkten 14 emittierten Fluoreszenzen auf dem Bildsensor 20. Die wellenlängendispergierten Bilder 27 der Fluoreszenz 22 von den lichtemittierenden Punkten 14 sind parallel zueinander angeordnet, ohne miteinander gemischt zu werden. Daher kann die Fluoreszenz 22 von jedem lichtemittierenden Punkt 14 unabhängig spektral gemessen werden. Ferner wird der Bildsensor 20 so positioniert, dass eine Achse der zweidimensionalen Gitteranordnung der Pixel des Bildsensors 20 und die Wellenlängendispersionsrichtung parallel zueinander sind und die andere Achse und die Richtung der Anordnung der lichtemittierenden Punkte parallel zueinander sind. In 2B ist die Vertikalrichtung die Wellenlängendispersionsrichtung und ist die horizontale Richtung die Richtung der Anordnung der lichtemittierenden Punkte. Dadurch stellt eine Signalintensitätsverteilung des Pixelfelds entlang jedem wellenlängendispergierten Bild 27 ein Spektrum der Fluoreszenz 22 bereit. Nachstehend wird ein Verfahren zur Analyse eines der mehreren gleichzeitig zu messenden wellenlängendispergierten Bilder 27 beschrieben. Das gleiche Analyseverfahren wird auf die anderen wellenlängendispergierten Bilder 27 angewendet.
Im Allgemeinen wird der Dispersionswinkel θ des Lichts mit der Wellenlänge λ (nm) unter Verwendung der Gitterfrequenz N (Linien/mm) durch Ausdruck (70) ausgedrückt.

[Ausdruck 70] $θ = {sin}^{- 1} (N \cdot λ \cdot 10^{- 6})$
Der Dispersionswinkel pro Wellenlänge von 1 nm ist durch Ausdruck (71) gegeben.

[Ausdruck 71] $\frac{d θ}{d λ} = \frac{N}{10^{6} \cdot cos θ}$
Dann ist der Dispersionsabstand (mm) pro Wellenlänge von 1 nm auf dem Bildsensor 20 anhand der Gleichungen (70) und (71) durch Ausdruck (72) gegeben.

[Ausdruck 72] $f_{2} \cdot \frac{d θ}{d λ} = \frac{N \cdot f_{2}}{10^{6} \cdot cos {{sin}^{- 1} (N \cdot λ)}}$
Beim vorliegenden Beispiel beträgt der Dispersionsabstand des Lichts mit λ = 600 nm auf dem Bildsensor 20 pro 1 nm nach Ausdruck (72) 0,032 mm, d. h. 32 µm, wobei N = 600 Linien/mm ist und f₂ = 50 mm ist. Weil die Pixelgröße des Bildsensors 20 24 µm ist, wird eine Wellenlängenauflösung von 0,75 nm/Pixel erhalten.
Ein 180 nm breites Wellenlängengebiet von 520 bis 700 nm des wellenlängendispergierten Bilds 27 wird als Messziel festgelegt. Dieses Wellenlängengebiet wird in 20 Wellenlängenbänder mit einer Breite von 9 nm in gleichen Intervallen unterteilt, und die 20 Wellenlängenbänder werden jeweils auf F = 20 Bins W(f) (f = 1, 2, ... und 20) gesetzt. Weil die Wellenlängenauflösung 0,75 nm/Pixel ist, wird Licht mit einem 9 nm breiten Wellenlängenband in Wellenlängendispersionsrichtung durch 12 Pixel empfangen. Weil der lichtemittierende Punkt 14 mit der 50 µm im Quadrat messenden Größe mit der gleichen Vergrößerung abgebildet wird und die Pixelgröße 24 µm im Quadrat ist, wird das Licht mit dem 9 nm breiten Wellenlängenband in Richtung der lichtemittierenden Punkte von 3 Pixeln empfangen. Daher wird als Binning-Bedingung jeder Bin W(f) auf ein Gebiet von 12 Pixeln in Wellenlängendispersionsrichtung und 3 Pixeln in Richtung der Anordnung der lichtemittierenden Punkte gesetzt und wird die Anzahl der jeden Bin W(f) bildenden Pixel auf dem Bildsensor 20 auf B_m = 12 × 3 = 36 gesetzt. Für jeden Bin W(f) wird die Anzahl der Pixel des Hardware-Binnings auf B_h = 36 gesetzt und wird die Anzahl der Pixel des Software-Binnings auf B_s = 1 gesetzt. Weil die Pixelgröße des beim vorliegenden Beispiel verwendeten Bildsensors 20 24 µm im Quadrat ist, ist die Größe jedes Bins W(f) auf dem Bildsensor 20 0,288 mm × 0,072 mm.
3 ist eine vergrößerte Ansicht eines oberen Endabschnitts eines wellenlängendispergierten Bilds 27 im Gesamtbild 26 in 2B. Nachstehend zeigen die 4 bis 10 das gleiche Gebiet wie in 3 im gleichen Maßstab. In jeder Figur ist nur ein kleiner Teil des vom Bildsensor 20 erfassten Gesamtbilds 26 dargestellt. 4 zeigt eine Konfiguration von Pixeln 28 im selben Gebiet wie in 3. 5 zeigt die Pixelkonfiguration mit Ausnahme des wellenlängendispergierten Bilds 27 in 4. Insgesamt 175 Pixel 28 mit 5 Pixeln in horizontaler Richtung und 35 Pixeln in vertikaler Richtung sind eingezeichnet. In 6 sind die Gebiete der Bins W(f) mit dicken Linien zu 5 hinzugefügt, wobei der Bin W(1), der Bin W(2) und ein Teil des Bins W(3) dargestellt sind. Entsprechend der vorstehend beschriebenen Binning-Bedingung besteht jeder Bin W(f) aus 36 Pixeln 28 mit B_m = 12 × 3 Pixeln, d. h. 12 Pixeln in vertikaler Richtung (Wellenlängendispersionsrichtung) × 3 Pixeln in horizontaler Richtung (Richtung der Anordnung der lichtemittierenden Punkte). 7 zeigt Hardware-Binning-Gebiete 7-1 in grauen oder schrägen Linien, die entsprechend der vorstehenden Binning-Bedingung zu 6 hinzugefügt sind. Jeder Bin W(f) mit B_m = 36 Pixeln 28 ist durch ein Hardware-Binning-Gebiet 7-1 mit B_h = 36 Pixeln 28 und Software-Binning mit B_s = 1 Pixel 28 dargestellt.
Andererseits zeigen die 8 bis 10 andere Binning-Bedingungen als die vorstehend erwähnte Binning-Bedingung. In 8 ist jeder Bin W(f) durch 12 Hardware-Binning-Gebiete 8-1 bis 8-12 mit B_h = 3 Pixeln 28 und Software-Binning mit B_s = 12 Pixeln 28 dargestellt. In 9 ist jeder Bin W(f) durch 36 Hardware-Binning-Gebiete 9-1 bis 9-36 mit B_h = 1 Pixel 28 und Software-Binning mit B_s = 36 Pixeln 28 dargestellt. In den 8 und 9 ist die Anzahl der Pixel B_h jedes der mehreren Hardware-Binning-Gebiete für jeden Bin W(f) konstant (B_h = 3 in 8 und B_h = 1 in 9). Die Anzahl der Pixel B_h ist jedoch nicht notwendigerweise konstant, wie beim Beispiel aus 10 dargestellt ist. In 10 ist jeder Bin W(f) durch 8 Hardware-Binning-Gebiete 10-1 bis 10-8 mit B_h = 4, 5, 6, 5, 4, 6, 5 und ein Pixel 28 und Software-Binning mit B_s = 8 Pixeln 28 dargestellt. In diesem Fall kann der Durchschnittswert der Pixelanzahl der mehreren Hardware-Binning-Gebiete als B_h bezeichnet werden. Im Fall aus 10 gilt B_h = (4 + 5 + 6 + 5 + 4 + 6 + 5 + 1)/8 = 36/8 = 4,5.
Die 7 bis 10 zeigen vier Typen von Binning-Bedingungen für jeden Bin W(f) mit B_m = 36. Diese Binning-Bedingungen dienen lediglich als Beispiele, und es können auch verschiedene andere Binning-Bedingungen festgelegt werden. Ferner ist die Anzahl der jeden Bin W(f) bildenden Pixel 28 nicht auf B_m = 36 beschränkt und kann auf einen beliebigen Wert gesetzt werden.
Weil das Festlegen der Binning-Bedingungen, wie vorstehend beschrieben, durch Software oder Firmware geschieht, kann die aktuelle Binning-Bedingung offengelegt werden. Selbst wenn die Einstellung unbekannt ist, kann die aktuelle Binning-Bedingung offengelegt werden. Beispielsweise wird angenommen, dass nur auf X(f), wobei es sich um die Signalintensität des Bins W(f) handelt, Bezug genommen werden kann, oder dass nur auf die Konzentration Z(g) des Fluorophors D(g) Bezug genommen werden kann. Es ist möglich, das Ansprechen der Signalintensität X(f) oder der Konzentration Z(g) auf die auf jedes Pixel fallende Lichtmenge zu untersuchen, indem zugelassen wird, dass das Licht auf jedes Pixel fällt und die einfallende Lichtintensität geändert wird. Beispiele eines Mittels, um zu ermöglichen, dass das Licht auf jedes Pixel fällt, umfassen ein Verfahren, bei dem ein Laserstrahl verschmälert wird und auf einen Bildsensor fällt, und ein Verfahren, bei dem Licht mit einer einzigen Wellenlänge von einem sehr kleinen lichtemittierenden Punkt emittiert wird, um ein Bild auf dem Bildsensor zu erzeugen. Dadurch kann jedes Pixel in jeden Bin W(f) klassifiziert werden und kann die Anzahl der Pixel B_m in jedem Bin W(f) identifiziert werden. Die Anzahl der Pixel B_h des Hardware-Binnings und die Anzahl der Pixel B_s des Software-Binnings in jedem Bin W(f) können anhand des Ansprechens der Signalintensität X(f) oder der Konzentration Z(g) identifiziert werden, wenn die Anzahl der Pixel, auf die das Licht fällt, auf zwei Pixel, drei Pixel usw. erhöht wird. Natürlich kann die Binning-Bedingung durch andere Mittel untersucht werden. Anhand der vorstehenden Ergebnisse kann festgestellt werden, ob die aktuelle Binning-Bedingung für das Erreichen sowohl einer hohen Empfindlichkeit als auch eines hohen Dynamikbereichs geeignet ist, und kann die Binning-Bedingung nach Bedarf zu einer geeigneten Binning-Bedingung geändert werden.
Die Bildgebung durch den Bildsensor 20 wird mit einer Belichtungszeit von 100 ms und einem Abtastintervall von 150 ms wiederholt. Durch Erhalten der in den Bins W(f) integrierten Signalintensitäten X(f) (f = 1, 2, ... und 20) zu jeder Zeit (bei jeder Abtastung) wird die Matrix X mit 20 Zeilen und 1 Spalte, die durch Ausdruck (2) repräsentiert ist, zu jeder Zeit erhalten. Die Matrix Y mit 20 Zeilen und 4 Spalten, die durch Ausdruck (3) repräsentiert ist, wird vorab erhalten. Dann wird die Matrix Z mit 4 Zeilen und 1 Spalte, die durch Ausdruck (4) repräsentiert ist, zu jeder Zeit durch Ausdruck (6) erhalten. Das heißt, dass zeitliche Änderungen der Konzentration Z(g) (c = 1, 2, 3, 4) der G = 4 Fluorophortypen erhalten werden. DNA-Sequenzierungen der in jede Kapillare 1 injizierten Probe werden durch Analysieren der erhaltenen zeitlichen Änderungen ausgeführt.
Eine Rauschanalyse wurde unter den vorstehenden Messbedingungen und der Binning-Bedingung von B_m = 36, B_h = 36 und B_s = 1, wie in 7 dargestellt, ausgeführt. Die Rauschzusammensetzung ist für jeden Bin W(f) gleich. Wenn die gleiche Messung wie vorstehend beschrieben in einem Zustand ausgeführt wird, in dem kein Licht auf den Bildsensor fällt, d. h. unter der Bedingung eines Zählwerts N_s = 0 in Ausdruck (8), wird die Standardabweichung der Zeitreihendaten der Signalintensität X(f) erhalten. Der in der vorliegenden Anmeldung verwendete „Zählwert“ ist eine Einheit der vom Bildsensor digital ausgegebenen Signalintensität.
Zusätzlich wird, wenn die Belichtungszeit im Bereich von 0 ms bis 1000 ms stufenweise geändert wird, die Standardabweichung für jede Belichtungszeit in gleicher Weise erhalten. Eine Beziehung zwischen der Belichtungszeit und der Standardabweichung wird abgetragen, und es wird eine Näherungskurve für die Beziehung erhalten. Dadurch liegt der Schnittpunkt der Näherungskurve mit der vertikalen Achse bei 1,5 Zählwerten. Der vertikale Schnittpunkt, d. h. die Standardabweichung bei der Belichtungszeit von 0 ms, entspricht dem Ausleserauschen pro Bin W(f). Andererseits ist das Ausleserauschen pro Bin W(f) durch die Wurzel des ersten Terms B_s × N_r ² auf der rechten Seite von Ausdruck (8) gegeben. Weil unter der aktuellen Binning-Bedingung B_s = 1 ist, wird daher das Ausleserauschen pro Einzelpixel als N_r = 1,5 Zählwerte erhalten.
Als nächstes wird der Wert der Näherungskurve bei einer Belichtungszeit von 100 ms als 1,55 Zählwerte bestimmt. Dann ist die linke Seite von Ausdruck (8) N² = 1,55², während der erste Term auf der rechten Seite B_s × N_r ² = 1,5² ist und der dritte Term auf der rechten Seite N_s ² = 0 ist. Dementsprechend ist der zweite Term auf der rechten Seite, der das Dunkelstromrauschen pro Bin W(f) angibt, B_h × B_s × N_d ² = 1,55² - 1,5² = 0,39². Weil unter der aktuellen Binning-Bedingung B_h = 36 und B_s = 1 ist, wird das Dunkelstromrauschen pro Einzelpixel als N_d = 0,065 Zählwerte erhalten.
Schließlich wird, wenn das Hintergrundlicht bei der Elektrophoreseanalyse auf den Bildsensor fällt, die Standardabweichung des Hintergrundlichts, d. h. des Gesamtrauschens, als N = 1,6 Zählwerte bestimmt. Dann ist die linke Seite von Ausdruck (8) N² = 1,6², während der erste Term auf der rechten Seite B_s × N_r ² = 1,5² ist und der zweite Term auf der rechten Seite B_h × B_s × N_d ² = 0,39² ist. Dementsprechend ist der dritte Term auf der rechten Seite, der das Schrotrauschen pro Bin W(f) ergibt, N_s ² = 1,6² - 1,5² - 0,39² = 0,40². Daher wird das Schrotrauschen des vom lichtemittierenden Punkt emittierten und im Bin W(f) gemessenen Hintergrundlichts als N_s = 0,40 Zählwerte erhalten. Anhand des vorstehend Erwähnten wird das Dunkelstrom-Rauschverhältnis in Ausdruck (9) als b = 0,043 erhalten und wird das Schrotrauschverhältnis in Ausdruck (10) als c = 0,27 erhalten.
Für die vorstehende Einstellung wurden das Empfindlichkeits- und das Dynamikbereichsverhalten untersucht. Wenn b = 0,043 und c = 0,27 unter der Bedingung „1 ≤ B_h ≤ B_m“ in Ausdruck (18) eingesetzt werden, wird B_h ≤ 36 erhalten. Demgemäß erfüllt die aktuelle Binning-Bedingung (B_h = 36, B_s = 1) die erste Bedingung hoher Empfindlichkeit. Wenn b = 0,043 und c = 0,27 unter der Bedingung „1 ≤ B_h ≤ B_m“ in Ausdruck (21) eingesetzt werden, wird B_h ≤ 36 erhalten. Demgemäß erfüllt die aktuelle Binning-Bedingung (B_h = 36, B_s = 1) auch die zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit. Weil B_s = 1 ist, erfüllen die aktuellen Bedingungen andererseits nicht die erste Bedingung eines hohen Dynamikbereichs und die zweite Bedingung eines hohen Dynamikbereichs. Das heißt, dass sich ergibt, dass sowohl die Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die Bedingung eines hohen Dynamikbereichs unter der aktuellen Binning-Bedingung nicht erreicht werden können. Weil das Sättigungslichtmengenverhältnis des Bildsensors 20 in der vorstehenden Beschreibung k = 1 ist, wird α = 1 gesetzt.
In der vorstehenden Beschreibung wurden N^r, b und c, welche die Rauschzusammensetzung angeben, durch das Mittel zum Ändern der Belichtungszeit abgeleitet. Die Rauschzusammensetzung kann auch in einem Fall erhalten werden, in dem die Belichtungszeit nicht geändert wird. Es zeigt sich, dass das Schrotrauschen für jeden Bin W(f) proportional zur Wurzel der auf den Bin W(f) fallenden Lichtmenge ist. Daher kann das Schrotrauschen durch Ändern der einfallenden Lichtmenge gesteuert werden. Wenn das Quadrat des Gesamtrauschens N² der Signalintensität X(f) für den Bin W(f) gegen das Quadrat des Schrotrauschverhältnisses c² aufgetragen wird, wird eine näherungsweise gerade Linie mit einer Steigung N_r ² und einem vertikalen Schnittpunkt von (B_s + b² × B_m) durch Ausdruck (11) erhalten. Dadurch können N_r und das Dunkelstrom-Rauschverhältnis b abgeleitet werden. Das Schrotrauschverhältnis c kann unter den aktuellen Messbedingungen und bei der geraden Linie anhand des Gesamtrauschens N abgeleitet werden.
<Modifikation verschiedener Bedingungen>
Auf der Grundlage des vorstehend Erwähnten wurde untersucht, ob sowohl die Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die Bedingung eines hohen Dynamikbereichs durch Ändern der Binning-Bedingung, insbesondere durch Ändern der Anzahl der Pixel B_h des Hardware-Binnings und der Anzahl der Pixel B_s des Software-Binnings, während die Einstellungen des optischen Mehrfarberfassungssystems und B_m = 36 fixiert werden, erfüllt werden können. Einsetzen von B_m = 36, b = 0,043 und c = 0,27 in Ausdruck (16) unter der Bedingung „1 ≤ B_s ≤ B_m und B_s ist eine natürliche Zahl“ ergibt B_s ≤ 9. Alternativ ergibt das Einsetzen von B_m = 36, b = 0,043 und c = 0,27 in Ausdruck (22) unter derselben Bedingung B_s ≥ 9. Daher wird durch Festlegen der Bedingungen B_h = 4 und B_s = 9 Ausdruck (26) erfüllt, so dass sowohl die erste Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die erste Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllt werden. Andererseits wird, wenn B_m = 36, b = 0,043 und c = 0,27 unter derselben Bedingung in Ausdruck (19) eingesetzt werden, B_s ≤ 2 erhalten. Ferner gibt es keine Lösung, wenn B_m = 36, b = 0,043 und c = 0,27 unter derselben Bedingung in Ausdruck (24) eingesetzt werden. Daher ist Ausdruck (27) nicht erfüllt, so dass weder die zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit noch die zweite Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllt sind.
Als nächstes werden die Messbedingungen geändert. Das in die Kapillare 1 gefüllte Trennmedium wird von der Polymerlösung Ω1 zur Polymerlösung Ω2 geändert. Die Leistung des Laserstrahls wird von 5 mW auf 20 mW erhöht. Wenn die gleiche Rauschanalyse wie vorstehend beschrieben unter den vorstehenden Bedingungen ausgeführt wird, wird die Rauschzusammensetzung geändert. Die Rauschzusammensetzung hängt vom Bin W(f) ab. Das Gesamtrauschen für den Bin W(20) ist am kleinsten, nämlich N = 4 Zählwerte. Demgegenüber ist das Gesamtrauschen für den Bin W(10) am höchsten, nämlich N = 16 Zählwerte. In beiden Fällen ist das Ausleserauschen pro Einzelpixel N_r = 1,5 Zählwerte und ist das Dunkelstromrauschen pro Einzelpixel N_d = 0,065 Zählwerte. Anhand des vorstehend Erwähnten ergibt sich, dass das Schrotrauschen des vom lichtemittierenden Punkt emittierten und im Bin W(f) gemessenen Hintergrundlichts im Bin W(20) N_s = 3,7 Zählwerte und im Bin W(10) N_s = 16 Zählwerte ist. Das heißt, dass in jedem Bin W(f) N_r und N_d konstant sind, N_s jedoch verschieden ist und sich von 3,7 auf 16 Zählwerte ändert. Daher ist das Dunkelstrom-Rauschverhältnis b in Ausdruck (9) 0,043 und ändert sich das Schrotrauschverhältnis c in Ausdruck (10) von 2,5 auf 10,7.
Wenn diese Werte unter der Bedingung „1 ≤ B_h ≤ B_m“ in Ausdruck (18) eingesetzt werden, wird B_h ≤ 36 für ein beliebiges Schrotrauschverhältnis c von c = 2,5 bis 10,7 erhalten, so dass die aktuelle Binning-Bedingung (B_h = 36, B_s = 1) die erste Bedingung hoher Empfindlichkeit erfüllt. Wenn diese Werte unter der Bedingung „1 ≤ B_h ≤ B_m“ in die Ausdrücke (21) eingesetzt werden, wird auch B_h ≤ 36 für ein beliebiges Schrotrauschverhältnis c von c = 2,5 bis 10,7 erhalten, so dass die aktuelle Binning-Bedingung (B_h = 36, B_s = 1) auch die zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit erfüllt. Weil andererseits B_s = 1 ist, erfüllt die aktuelle Binning-Bedingung sowohl die erste Bedingung eines hohen Dynamikbereichs als auch die zweite Bedingung eines hohen Dynamikbereichs nicht. Das heißt, dass sich ergibt, dass sowohl die Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die Bedingung eines hohen Dynamikbereichs unter der aktuellen Binning-Bedingung nicht erreicht werden können. Weil das Sättigungslichtmengenverhältnis des Bildsensors 20 in der vorstehenden Beschreibung k = 1 ist, wird α = 1 gesetzt. Andererseits ist die Sättigungslichtmenge pro Einzelpixel des Bildsensors M = 65000. Wenn c = 2,5 ist, wird DR = 5340 aus Ausdruck (15) erhalten. Daher wird anhand der Ausdrücke (68) und (69) herausgefunden, dass die aktuelle Binning-Bedingung die dritte Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllt, jedoch nicht die vierte Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllt. Andererseits wird, wenn c = 10,7 ist, DR = 1344 aus Ausdruck (15) erhalten. Daher ergibt sich aus den Ausdrücken (68) und (69), dass die aktuelle Binning-Bedingung sowohl die dritte Bedingung eines hohen Dynamikbereichs als auch die vierte Bedingung eines hohen Dynamikbereichs nicht erfüllt.
Anschließend wurde ebenso wie vorstehend beschrieben untersucht, ob sowohl die Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die Bedingung eines hohen Dynamikbereichs durch Ändern der Anzahl der Pixel B_h des Hardware-Binnings und der Anzahl der Pixel B_s des Software-Binnings, während die Einstellungen des optischen Mehrfarberfassungssystems und B_m = B_h × B_s = 36 fixiert werden, erfüllt werden können. Hier ist die Anzahl der Pixel B_h des Hardware-Binnings eine natürliche Zahl. Zuerst wird das Schrotrauschverhältnis auf c = 2,5 gesetzt. Einsetzen von B_m = 36 und b = 0,043 in die Ausdrücke (16) und (19) führt unter der Bedingung „1 ≤ B_s ≤ B_m und B_s ist eine natürliche Zahl“ zu B_s ≤ 36 bzw. B_s ≤ 10. Demgegenüber führt das Einsetzen von B_m = 36 und b = 0,043 in die Ausdrücke (22) und (24) unter derselben Bedingung zu B_s ≥ 4 bzw. B_s ≥ 19.
Das vorstehend Erwähnte lässt sich folgendermaßen zusammenfassen. Wenn (B_h, B_s) (36, 1), (18, 2) oder (12, 3) ist, wird die zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit erfüllt. Wenn (B_h, B_s) (9, 4), (6, 6) oder (4, 9) ist, werden sowohl die zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die erste Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllt. Wenn (B_h, B_s) (3, 12) oder (2, 18) ist, werden sowohl die erste Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die erste Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllt. Wenn (B_h, B_s) (1, 36) ist, werden sowohl die erste Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die zweite Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllt. Daher gibt es keine Lösung, die sowohl die zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die zweite Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllt. Andererseits wird anhand der Ausdrücke (15), (68) und (69) herausgefunden, dass sowohl die dritte Bedingung eines hohen Dynamikbereichs als auch die vierte Bedingung eines hohen Dynamikbereichs in jedem der Fälle, dass (B_h, B_s) (18, 2), (12, 3), (9, 4), (6, 6), (4, 9), (3, 12), (2, 18) und (1, 36) ist, erfüllt sind.
Als nächstes wird das Schrotrauschverhältnis auf c = 10,7 gesetzt. Wenn B_m = 36 und b = 0,043 in die Ausdrücke (16) und (19) eingesetzt werden, wird B_s ≤ 36 unter der Bedingung „1 ≤ B_s ≤ B_m und B_s ist eine natürliche Zahl“ erhalten. Demgegenüber werden, wenn B_m = 36 und b = 0,043 unter derselben Bedingung in die Ausdrücke (22) und (24) eingesetzt werden, B_s ≥ 3 bzw. B_s ≥ 11 erhalten. Das vorstehend Erwähnte lässt sich folgendermaßen zusammenfassen. Wenn (B_h, B_s) (36, 1) oder (18, 2) ist, wird die zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit erfüllt. Wenn (B_h, B_s) (12, 3), (9, 4), (6, 6) oder (4, 9) ist, werden sowohl die zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die erste Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllt. Wenn (B_h, B_s) (3, 12), (2, 18) oder (1, 36) ist, werden sowohl die zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die zweite Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllt. Weil das Sättigungslichtmengenverhältnis des Bildsensors 20 in der vorstehenden Beschreibung k = 1 ist, wird α = 1 abgeleitet. Es sei bemerkt, dass 7 einen Fall zeigt, in dem (B_h, B_s) (36, 1) ist, 8 einen Fall zeigt, in dem (B_h, B_s) (3, 12) ist und 9 einen Fall zeigt, in dem (B_h, B_s) (1, 36) ist. Wie vorstehend beschrieben, gibt es mehrere Lösungen, in denen sowohl die Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die Bedingung eines hohen Dynamikbereichs auf demselben Niveau erfüllt sind. In einem solchen Fall kann es besser sein, eine Lösung mit einer größeren Anzahl von Pixeln B_h des Hardware-Binnings aus den mehreren Lösungen auszuwählen, weil es vorteilhaft ist, dass die Geschwindigkeit des Auslesens von Daten aus dem Bildsensor verbessert werden kann. Andererseits ergibt sich aus den Ausdrücken (15), (68) und (69), dass in jedem der Fälle, in denen (B_h, B_s) (12, 3), (9, 4) und (6, 6) ist, die dritte Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllt ist, die vierte Bedingung eines hohen Dynamikbereichs jedoch nicht in jedem dieser Fälle erfüllt ist. Es ergibt sich auch, dass sowohl die dritte Bedingung eines hohen Dynamikbereichs als auch die vierte Bedingung eines hohen Dynamikbereichs in jedem der Fälle erfüllt sind, in denen (B_h, B_s) (4, 9), (3, 12), (2, 18) und (1, 36) ist.
Anhand des vorstehend Beschriebenen hat sich gezeigt, dass sowohl die Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die Bedingung eines hohen Dynamikbereichs durch Modifizieren der Binning-Bedingung erreicht werden können. Es sei bemerkt, dass die Binning-Bedingungen, die sowohl die Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllen, von der Rauschzusammensetzung abhängen, die durch das Dunkelstrom-Rauschverhältnis b und das Schrotrauschverhältnis c repräsentiert ist. Daher können abhängig von der Rauschzusammensetzung die Binning-Bedingungen, die beide erfüllen, erweitert werden, oder es gibt möglicherweise keine Binning-Bedingung, die beide erfüllt.
<Modifikation des Sättigungslichtmengenverhältnisses>
Nachstehend werden in einem Fall, in dem der Bildsensor 20 mit dem Sättigungslichtmengenverhältnis k = 1 durch den Bildsensor 20 mit dem Sättigungslichtmengenverhältnis k = 3 ersetzt ist, das Empfindlichkeitsverhalten und das Verhalten des Dynamikbereichs ähnlich untersucht. Weil die Anzahl der Pixel B_h des Hardware-Binnings hier eine positive natürliche Zahl ist, gelten α = 1, wenn B_h = 1 ist, α = 2, wenn B_h = 2 ist, und α = 3, wenn B_h ≥ 3 ist. Nachstehend gilt 1 ≤ B_s ≤ B_m und ist B_s eine natürliche Zahl.
Zuerst wurde der Fall B_m = 36, b = 0,043 und c = 0,27 untersucht. Weil Ausdruck (16) und Ausdruck (19) α nicht aufweisen, weicht die Bedingung hoher Empfindlichkeit nicht vom Fall k = 1 ab. Das heißt, dass die erste Bedingung hoher Empfindlichkeit durch Setzen von B_s ≤ 9 erfüllt wird und die zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit durch Setzen von B_s ≤ 2 erfüllt wird. Weil andererseits Ausdruck (22) und Ausdruck (24) α aufweisen, weicht die Bedingung eines hohen Dynamikbereichs vom Fall k = 1 ab. Wenn B_h = 1 ist, werden anhand Ausdruck (22) α = 1 und B_s ≥ 9 erhalten. Wenn B_h = 2 ist, werden anhand Ausdruck (22) α = 2 und B_s ≥ 3 erhalten. Wenn B_h = 3 ist, werden anhand Ausdruck (22) α = 3 und B_s ≥ 1 erhalten. Daher erfüllen alle Kombinationen von (B_h, B_s) mit (1, 36), (2, 18), (3, 12), (4, 9), (6, 6), (9, 4), (12, 3), (18, 2) und (36,1) die erste Bedingung eines hohen Dynamikbereichs.
Andererseits werden, wenn B_h = 1 ist, α = 1 und B_s ≥ 36 anhand Ausdruck (24) erhalten. Wenn B_h = 2 ist, werden anhand Ausdruck (24) α = 2 und B_s ≥ 24 erhalten. Wenn B_h = 3 ist, werden anhand Ausdruck (24) α = 3 und B_s ≥ 11 erhalten. Daher erfüllen Kombinationen von (B_h, B_s) mit (1, 36) und (3, 12) die zweite Bedingung eines hohen Dynamikbereichs. Wie vorstehend beschrieben, werden durch Setzen von (B_h, B_s) auf (4, 9), (6, 6), (9, 4), (12, 3), (18, 2) und (36, 1) sowohl die erste Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die erste Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllt. Es ergibt sich, dass es keine Binning-Bedingung gibt, welche die zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit und die zweite Bedingung eines hohen Dynamikbereichs gleichzeitig erfüllt.
Als nächstes wurde der Fall B_m = 36, b = 0,043 und c = 2,5 untersucht. Weil Ausdruck (16) und Ausdruck (19) α nicht aufweisen, weicht die Bedingung hoher Empfindlichkeit nicht vom Fall k = 1 ab. Das heißt, dass die erste Bedingung hoher Empfindlichkeit erfüllt ist, wenn B_s ≤ 36 ist, und die zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit erfüllt ist, wenn B_s ≤ 10 ist. Weil andererseits Ausdruck (22) und Ausdruck (24) α aufweisen, weicht die Bedingung eines hohen Dynamikbereichs vom Fall k = 1 ab. Wenn B_h = 1 ist, werden anhand Ausdruck (22) α = 1 und B_s ≥ 4 erhalten. Wenn B_h = 2 ist, werden anhand Ausdruck (22) α = 2 und B_s ≥ 2 erhalten. Wenn B_h = 3 ist, werden anhand Ausdruck (22) α = 3 und B_s ≥ 1 erhalten. Daher erfüllen alle Kombinationen von (B_h, B_s) mit (1, 36), (2, 18), (3, 12), (4, 9), (6, 6), (9, 4), (12, 3), (18, 2) und (36,1) die erste Bedingung eines hohen Dynamikbereichs.
Andererseits werden, wenn B_h = 1 ist, α = 1 und Bs ≥ 18 anhand Ausdruck (24) erhalten. Wenn B_h = 2 ist, werden anhand Ausdruck (24) α = 2 und B_s ≥ 7 erhalten. Wenn B_h = 3 ist, werden anhand Ausdruck (24) α = 3 und B_s ≥ 4 erhalten. Daher erfüllen Kombinationen von (B_h, B_s) mit (1, 36), (2, 18), (3, 12), (4, 9), (6, 6) und (9, 4) die zweite Bedingung eines hohen Dynamikbereichs. Anhand des vorstehend Erwähnten ergibt sich, dass durch Setzen von (B_h, B_s) auf (1, 36), (2, 18), (3, 12), (4, 9), (6, 6), (9, 4), (12, 3), (18, 2) und (36, 1) sowohl die erste Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die erste Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllt werden. Überdies werden durch Setzen von (B_h, B_s) auf (4, 9), (6, 6) und (9, 4) sowohl die zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die zweite Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllt.
Schließlich wurde der Fall B_m = 36, b = 0,043 und c = 10,7 untersucht. Weil Ausdruck (16) und Ausdruck (19) α nicht aufweisen, weicht die Bedingung hoher Empfindlichkeit nicht vom Fall k = 1 ab. Das heißt, dass sowohl die erste Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit erfüllt sind, wenn B_s ≤ 36 ist. Weil andererseits Ausdruck (22) und Ausdruck (24) α aufweisen, weicht die Bedingung eines hohen Dynamikbereichs vom Fall k = 1 ab. Wenn B_h = 1 ist, werden anhand Ausdruck (22) α = 1 und B_s ≥ 3 erhalten. Wenn B_h = 2 ist, werden anhand Ausdruck (22) α = 2 und B_s ≥ 2 erhalten. Wenn B_h = 3 ist, werden anhand Ausdruck (22) α = 3 und B_s ≥ 1 erhalten. Daher erfüllen alle Kombinationen von (B_h, B_s) mit (1, 36), (2, 18), (3, 12), (4, 9), (6, 6), (9, 4), (12, 3), (18, 2) und (36,1) die erste Bedingung eines hohen Dynamikbereichs.
Andererseits werden, wenn B_h = 1 ist, α = 1 und Bs ≥ 11 anhand Ausdruck (24) erhalten. Wenn B_h = 2 ist, werden anhand Ausdruck (24) α = 2 und B_s ≥ 6 erhalten. Wenn B_h = 3 ist, werden anhand Ausdruck (24) α = 3 und B_s ≥ 4 erhalten. Daher erfüllen Kombinationen von (B_h, B_s) mit (1, 36), (2, 18), (3, 12), (4, 9), (6, 6) und (9, 4) die zweite Bedingung eines hohen Dynamikbereichs. Anhand des vorstehend Erwähnten ergibt sich, dass durch Setzen von (B_h, B_s) auf (1, 36), (2, 18), (3, 12), (4, 9), (6, 6), (9, 4), (12, 3), (18, 2) oder (36, 1) sowohl die erste Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die erste Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllt werden. Überdies werden durch Setzen von (B_h, B_s) auf (1, 36), (2, 18), (3, 12), (4, 9), (6, 6) und (9, 4) sowohl die zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die zweite Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllt. Wie vorstehend beschrieben, ergibt sich, dass durch Ändern des Sättigungslichtmengenverhältnisses von k = 1 auf k = 3 der Bereich der Binning-Bedingung, in dem sowohl die Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erreicht werden, erweitert wird, so dass sich die Wirkungen dieser Erfindung leichter erhalten lassen.
Im vorliegenden Beispiel wurden die Rauschbedingung und die Binning-Bedingung, die sowohl die Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erreichen, herausgefunden. In einem Fall, in dem die Empfindlichkeit wichtiger als der Dynamikbereich ist, kann es jedoch besser sein, zu (B_h, B_s) mit (36, 1) (der ursprünglichen Binning-Bedingung) zurückzukehren. Daher ist es beim selben Multikapillarelektrophoreseinstrument abhängig von der Anwendung wirksam, selektiv einen Modus, in dem eine hohe Empfindlichkeit gegenüber einem hohen Dynamikbereich bevorzugt ist, oder einen Modus, in dem sowohl eine hohe Empfindlichkeit als auch ein hoher Dynamikbereich wichtig sind, zu verwenden. Das heißt, dass es wirksam ist, eine geeignete Binning-Bedingung aus mehreren Binning-Bedingungen auswählen zu können. Der Benutzer kann eine gewünschte Binning-Bedingung unter Verwendung einer Benutzerschnittstelle aus mehreren Binning-Bedingungen auswählen. Alternativ ist es auch wirksam, dass die Software eine geeignete Binning-Bedingung aus mehreren Binning-Bedingungen auswählen kann, ohne dass vom Benutzer bewusst die Binning-Bedingung ausgewählt wird.
<Änderung des Bildsensors>
Unter der vorstehend in <Grundbedingung> definierten Bedingung wurde der CCD-Bildsensor zu einem CMOS-Bildsensor mit einer Pixelgröße von 3,63 µm im Quadrat geändert. Die AD-Wandlung des CCD-Bildsensors ist BN = 16 Bits, während die AD-Wandlung des CMOS-Bildsensors BN = 12 Bits ist. Weil die Einstellung des optischen Mehrfarberfassungssystems nicht geändert wird, bleibt die Größe des Bilds des von jedem der Bins W(1) bis W(20) auf dem Bildsensor gemessenen Lichts im Wellenlängenband 0,288 mm × 0,072 mm. Die Anzahl der jeden Bin W(f) bildenden Pixel wird auf B_m = 79 × 20 = 1580 gesetzt, so dass jeder Bin W(f) Licht im selben Wellenlängenband misst. Das heißt, dass die Anzahl der Pixel für jeden Bin W(f) mindestens 40 Mal so groß ist wie im vorstehenden Fall. Weil der CMOS-Bildsensor kein Hardware-Binning ausführen kann, wird für jeden Bin W(f) die Anzahl der Pixel des Hardware-Binnings auf B_h = 1 gesetzt und die Anzahl der Pixel des Software-Binnings auf B_s = 1580 gesetzt. Weil das Sättigungslichtmengenverhältnis k = 1 ist, ist α = 1. Wenngleich die AD-Wandlung des CMOS-Bildsensors nur für BN = 12 Bits pro Einzelpixel geschieht, entspricht die Auflösung des Digitalsignals, weil B_s = 1580 ist, B_s × BN = 1580 × 12 Bits = 23 Bits. Daher kann eine Auflösung erhalten werden, die 16 Bits weit überschreitet.
Eine Rauschanalyse unter den vorstehenden Bedingungen ergibt ein Ausleserauschen von N_r = 1,06 Zählwerten pro Einzelpixel, ein Dunkelstrom-Rauschverhältnis von b = 0,21 und ein Schrotrauschverhältnis von c = 10. Anhand dieser Ergebnisse ergibt sich nach Ausdruck (17), dass die Binning-Bedingung, welche die erste Bedingung hoher Empfindlichkeit erfüllt, B_s ≤ 775 ist. Die Binning-Bedingung, welche die zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit erfüllt, ist nach Ausdruck (20) B_s ≤ 121. Andererseits ist die Binning-Bedingung, welche die erste Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllt, nach Ausdruck (23) B_s ≥ 3. Die Binning-Bedingung, welche die zweite Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllt, ist nach Ausdruck (25) B_s ≥ 11. Anhand des vorstehend Erwähnten ergibt sich, dass die Binning-Bedingung B_m = B_s = 1580 sowohl die erste Bedingung eines hohen Dynamikbereichs als auch die zweite Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllt, jedoch nicht sowohl die erste Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit erfüllt.
Dann werden ebenso wie vorstehend in <Modifikation verschiedener Bedingungen> beschrieben, die Messbedingungen geändert, ohne die Einstellung des optischen Mehrfarberfassungssystems zu ändern. Eine Rauschanalyse auf der Grundlage der vorstehend erwähnten Änderungen ergibt ein Ausleserauschen von N_r = 1,06 Zählwerten pro Einzelpixel und ein Dunkelstrom-Rauschverhältnis von b = 0,21. Diese Werte sind gegenüber den vorstehenden Werten unverändert. Dagegen ist das Schrotrauschverhältnis c auf 24 - 52 angestiegen. Hier wird c = 24 in Bin W(20) erhalten und wird c = 52 in Bin W(10) erhalten.
Zuerst ist, wenn das Schrotrauschverhältnis c = 24 ist, die Binning-Bedingung, welche die erste Bedingung hoher Empfindlichkeit erfüllt, nach Ausdruck (17) B_s ≤ 4422. Die Binning-Bedingung, welche die zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit erfüllt, ist nach Ausdruck (20) B_s ≤ 652. Andererseits ist die Binning-Bedingung, welche die erste Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllt, nach Ausdruck (23) B_s ≥ 3. Die Binning-Bedingung, welche die zweite Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllt, ist nach Ausdruck (25) B_s ≥ 11. Anhand des vorstehend Erwähnten ergibt sich, dass die Binning-Bedingung B_m = B_s = 1580 sowohl die erste Bedingung eines hohen Dynamikbereichs als auch die zweite Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllt. Die Binning-Bedingung B_m = B_s = 1580 erfüllt auch die erste Bedingung hoher Empfindlichkeit, jedoch nicht die zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit.
Als nächstes ist, wenn das Schrotrauschverhältnis c = 52 ist, die Binning-Bedingung, welche die erste Bedingung hoher Empfindlichkeit erfüllt, nach Ausdruck (17) B_s ≤ 21571. Die Binning-Bedingung, welche die zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit erfüllt, ist nach Ausdruck (20) B_s ≤ 3312. Andererseits ist die Binning-Bedingung, welche die erste Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllt, nach Ausdruck (23) B_s ≥ 3. Die Binning-Bedingung, welche die zweite Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllt, ist nach Ausdruck (25) B_s ≥ 10. Anhand des vorstehend Erwähnten ergibt sich, dass die Binning-Bedingung B_m = B_s = 1580 sowohl die erste Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die erste Bedingung eines hohen Dynamikbereichs als auch die zweite Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllt.
Wie vorstehend beschrieben, wurde herausgefunden, dass durch Setzen der Rauschzusammensetzung auf eine geeignete Bedingung sowohl eine hohe Empfindlichkeit als auch ein hoher Dynamikbereich erreicht werden können, während dieselbe Binning-Bedingung verwendet wird. Das heißt, dass herausgefunden wurde, dass abhängig von Rauschbedingungen sowohl eine hohe Empfindlichkeit als auch ein hoher Dynamikbereich erreicht werden können und umgekehrt nicht sowohl eine hohe Empfindlichkeit als auch ein hoher Dynamikbereich erreicht werden können.
<Änderung der Konfiguration des optischen Mehrfarberfassungssystems>
Es wurde versucht, eine hohe Empfindlichkeit und einen hohen Dynamikbereich durch Ändern der Konfiguration des in <Grundbedingung> beschriebenen optischen Mehrfarberfassungssystems zu erreichen. Der Bildsensor ist ein CMOS-Bildsensor mit einer Pixelgröße von 3,63 µm im Quadrat. Weil das Sättigungslichtmengenverhältnis k = 1 ist, ist α = 1. Zuerst wird die Gitterfrequenz des im optischen Mehrfarberfassungssystem verwendeten Transmissionsbeugungsgitters von N = 600 Linien/mm zu N = 200 Linien/mm geändert. Weil ihr Dispersionsabstand pro 1 nm auf dem Bildsensor 10 µm ist, ist die Größe des Bilds des durch jeden der Bins W(1) bis W(20) zu messenden Lichts mit einem Wellenlängenband mit einer Breite von 9 nm nach Ausdruck (72) 0,10 mm × 0,072 mm. Das heißt, dass die Anzahl der jeden Bin W(f) bildenden Pixel auf B_m = 25 × 20 = 500, d. h. 25 Pixel in Wellenlängendispersionsrichtung und 20 Pixel in Richtung der Anordnung der lichtemittierenden Punkte, gesetzt wird. Die Anzahl der Pixel des Hardware-Binnings wird auf B_h = 1 gesetzt, und die Anzahl der Pixel des Software-Binnings wird auf B_s = 500 gesetzt. Wenn die Messbedingungen gegenüber jenen in <Grundbedingung> nicht geändert werden, werden auch das Ausleserauschen von N_r = 1,06 Zählwerten pro Einzelpixel, das Dunkelstrom-Rauschverhältnis von b = 0,21 und das Schrotrauschverhältnis von c = 10 nicht geändert. Das heißt, dass die erste Bedingung hoher Empfindlichkeit erfüllt ist, wenn B_s ≤ 775 ist, die zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit erfüllt ist, wenn B_s ≤ 121 ist, die erste Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllt ist, wenn B_s ≥ 3 ist und die zweite Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllt ist, wenn B_s ≥ 11 ist. Daher erfüllt die Binning-Bedingung von B_h = 1 und B_s = 500 die erste Bedingung hoher Empfindlichkeit, die erste Bedingung eines hohen Dynamikbereichs und die zweite Bedingung eines hohen Dynamikbereichs. Wie vorstehend beschrieben, können durch Ändern der Konfiguration des optischen Mehrfarberfassungssystems unter den gleichen Messbedingungen sowohl die Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erreicht werden.
Als nächstes wurde untersucht, wie sich sowohl eine hohe Empfindlichkeit als auch ein hoher Dynamikbereich durch weiteres Ändern der Konfiguration des optischen Mehrfarberfassungssystems vorteilhafter erreichen lassen. Insbesondere wird zusätzlich zum Ändern der Gitterfrequenz des beim optischen Mehrfarberfassungssystem verwendeten Transmissionbeugungsgitters von N = 600 Linien/mm zu N = 200 Linien/mm die Brennweite der zweiten Kameralinse von f₂ = 50 mm zu f₂ = 25 mm geändert. Dadurch wird das wellenlängendispergierte Bild des vom lichtemittierenden Punkt emittierten Lichts zu einem auf die Hälfte verkleinerten Bild. Daher beträgt der Dispersionsabstand pro 1 nm auf dem Bildsensor nach Ausdruck (72) 5 µm und beträgt die Bildgröße des lichtemittierenden Punkts mit einer Größe von 50 µm im Quadrat 25 µm im Quadrat, wenn keine Wellenlängendispersion auftritt. Daher ist die Größe des wellenlängendispergierten Bilds des durch jeden der Bins W(1) bis W(20) zu messenden Lichts mit einem Wellenlängenband mit einer Breite von 9 nm 0,045 mm × 0,025 mm. Dann wird jeder Bin W(f) in Wellenlängendispersionsrichtung auf 12 Pixel und in Richtung der Anordnung der lichtemittierenden Punkte auf 7 Pixel gesetzt und ist B_m = 12 × 7 = 84. Die Anzahl der Pixel des Hardware-Binnings ist auf B_h = 1 gesetzt. Die Anzahl der Pixel des Software-Binnings ist auf B_s = 84 gesetzt. Wenn die Messbedingungen gegenüber jenen in <Grundbedingung> nicht geändert werden, werden auch das Ausleserauschen von N_r = 1,06 Zählwerten pro Einzelpixel, das Dunkelstrom-Rauschverhältnis von b = 0,21 und das Schrotrauschverhältnis von c = 10 nicht geändert. Daher sind sowohl die erste Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die erste Bedingung eines hohen Dynamikbereichs als auch die zweite Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllt. Wie vorstehend beschrieben, können durch Ändern der Konfiguration des optischen Mehrfarberfassungssystems unter den gleichen Messbedingungen sowohl die Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erreicht werden und kann der Bereich, in dem sowohl die Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erreicht werden, erweitert werden.
[Beispiel 2]
Im vorliegenden Beispiel werden die Bedingungen zum Erreichen sowohl der Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch der Bedingung eines hohen Dynamikbereichs durch Verallgemeinern der Untersuchung in Beispiel 1 systematisch aufgeklärt. In Beispiel 1 wird hauptsächlich die Änderung der Anzahl der Pixel B_h des Hardware-Binnings und der Anzahl der Pixel B_s des Software-Binnings, während die Anzahl der Pixel B_m im Bin W fest ist, untersucht (<Änderung der Konfiguration des optischen Mehrfarberfassungssystems> in Beispiel 1 ist eine Ausnahme). Andererseits wird im vorliegenden Beispiel erwogen, nicht nur die Anzahl der Pixel B_h des Hardware-Binnings und die Anzahl der Pixel B_s des Software-Binnings, sondern auch die Anzahl der Pixel B_m, zu ändern. Es sei bemerkt, dass die Änderung von B_m durch Steuern der Konfiguration des optischen Mehrfarberfassungssystems vorgenommen wird, um das Pixelgebiet des Bildsensors, auf das das Fluoreszenzbild mit dem jedem Bin W entsprechenden spezifischen Wellenlängenband projiziert wird, zu ändern.
In Beispiel 1 wird nicht nur die Zusammensetzung des Rauschens, sondern auch der Betrag des Gesamtrauschens pro Einzelpixel durch Ändern der Messbedingungen geändert. Dagegen wird beim vorliegenden Beispiel zum Vermeiden des Einflusses der Änderung des Betrags des Gesamtrauschens pro Einzelpixel nur die Zusammensetzung des Rauschens durch Ändern der Messbedingungen geändert, während der Betrag des Gesamtrauschens pro Einzelpixel konstant gehalten wird. In der Untersuchung des vorliegenden Beispiels werden die Ausdrücke (11), (13), (14) und (15) verwendet. Weil das Sättigungslichtmengenverhältnis des Bildsensors k = 1 ist, gilt α = 1. Das Gesamtrauschen im Fall B_h = B_s = 1 in Ausdruck (11) ist bei N = 1 Zählwert konstant. Die Sättigungslichtmenge pro Einzelpixel des Bildsensors ist M = 10000 Zählwerte. Nachstehend wird die Einheit „Zählwert(e)“ für das Rauschen und die Lichtmenge fortgelassen.
Die 11A bis 11C zeigen die untere Erfassungsgrenze LLOD, die obere Erfassungsgrenze ULOD und den Dynamikbereich DR in Abhängigkeit von der Anzahl der Pixel B_h des Hardware-Binnings unter der Bedingung B_s = 1 als gepunktete Linien. Hier sind LLOD, ULOD und DR durch Auftragungen von Dreiecken, Quadraten bzw. Kreisen angegeben. Die Rauschzusammensetzungen sind in 11A auf b = 0 und c = 0, in 11B auf b = 0,1 und c = 0 und in 11C auf b = 1 und c = 0 gesetzt. Auf der rechten Seite jedes Graphen ist eine Tabelle dargestellt, welche die Binning-Bedingungen zusammenfasst, welche die erste Bedingung hoher Empfindlichkeit, die zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit, die erste Bedingung eines hohen Dynamikbereichs und die zweite Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllen. Die erste Bedingung hoher Empfindlichkeit wird durch Ausdruck (18) erhalten, und die zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit wird durch Ausdruck (21) erhalten. Wenn es keine Lösung gibt, wird „-“ in die Spalte für die Binning-Bedingung geschrieben.
Zuerst sind im Fall b = 0 und c = 0 in 11A LLOD, ULOD und DR (= ULOD/LLOD) unabhängig von der Anzahl der Pixel B_h des Hardware-Binnings alle konstant und haben die gleichen Werte wie im Fall B_h = 1. Das heißt, dass LLOD = 3, ULOD = 10000 und DR = 3333 sind. Weil b = 0 und c = 0 sind, besteht das Gesamtrauschen nur aus dem Ausleserauschen und hängt nicht von der Anzahl der Pixel B_h des Hardware-Binnings ab. Daher ändert sich LLOD selbst dann nicht, wenn die Anzahl der Pixel B_h des Hardware-Binnings ansteigt. Daher sind die erste Bedingung hoher Empfindlichkeit und die zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit für jede Anzahl von Pixeln B_h des Hardware-Binnings erfüllt. In 11A wird die Binning-Bedingung, die beide Bedingungen hoher Empfindlichkeit erfüllt, entsprechend der horizontalen Achsenskala des Graphen als B_h ≤ 10⁵ ausgedrückt. Selbst dann, wenn das Hardware-Binning bei einer Erhöhung der Anzahl der Pixel B_h des Hardware-Binnings ausgeführt wird, bleibt die Sättigungslichtmenge M = 10000. Daher ändert sich auch ULOD nicht. Daher gibt es keine Lösung für die Binning-Bedingung, welche die Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllt.
Als nächstes nimmt im Fall b = 0,1 und c = 0 in 11B das Gesamtrauschen zu und nimmt auch LLOD zu, weil das Dunkelstromrauschen zunimmt, wenn die Anzahl der Pixel B_h des Hardware-Binnings zunimmt. Wenn B_h = 1 ist, sind LLOD, ULOD und DR die gleichen wie in 11A. Daher ist, wie in der Tabelle dargestellt ist, nach Ausdruck (18) die erste Bedingung hoher Empfindlichkeit erfüllt, wenn B_h ≤ 809 ist, und ist nach Ausdruck (21) die zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit erfüllt, wenn B_h ≤ 127 ist.
Im Fall b = 1 und c = 0 in 11C ist die Anstiegsrate von LLOD gegenüber B_h höher als in 11B. LLOD nimmt gegenüber B_h im Wesentlichen entlang einer Geraden mit einer Steigung 1/2 zu. Dies kann folgendermaßen erklärt werden. Wie anhand Ausdruck (13) klar ist, nimmt, wenn das Dunkelstrom-Rauschverhältnis b bei c = 0 hoch genug wird, LLOD proportional zur Wurzel von B_h zu. Weil 11 ein doppelt logarithmischer Graph ist, haben B_h und LLOD daher eine lineare Beziehung mit einer Steigung 1/2. Daher ist, wie in der Tabelle dargestellt ist, nach Ausdruck (18) die erste Bedingung hoher Empfindlichkeit erfüllt, wenn B_h ≤ 17 ist, und ist nach Ausdruck (21) die zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit erfüllt, wenn B_h ≤ 4 ist. Weil andererseits die Sättigungslichtmenge nach Ausdruck (14) unabhängig vom Dunkelstrom-Rauschverhältnis b, vom Schrotrauschverhältnis c und von der Anzahl der Pixel B_h des Hardware-Binnings M = 10000 bleibt, ändert sich ULOD in den 11B und 11C nicht gegenüber dem Fall in 11A.
Wie vorstehend beschrieben, nimmt DR gegenüber B_h ab, wenn das Dunkelstrom-Rauschverhältnis b ansteigt. Wie in 11C, wobei es sich um einen doppelt logarithmischen Graphen handelt, dargestellt ist, haben B_h und DR eine lineare Beziehung mit einer Steigung von -1/2, wenn das Dunkelstrom-Rauschverhältnis b hoch genug wird. Daher gibt es keine Lösung für die Binning-Bedingung, welche die Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllt. Anhand des vorstehend Erwähnten ergibt sich, dass sowohl die Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die Bedingung eines hohen Dynamikbereichs unter den Bedingungen in 11 nicht erfüllt werden können.
Die 12A bis 12C zeigen LLOD, ULOD und DR in Abhängigkeit von B_s unter der Bedingung B_h = 1 als durchgezogene Linien. Hier sind LLOD, ULOD und DR durch Auftragungen von Dreiecken, Quadraten bzw. Kreisen angegeben. Ähnlich den 11A bis 11C sind die Rauschzusammensetzungen in 12A auf b = 0 und c = 0 gesetzt, in 12B auf b = 0,1 und c = 0 gesetzt und in 12C auf b = 1 und c = 0 gesetzt. Die 12A, 12B und 12C zeigen die gleichen Ergebnisse. Wenn wie im Fall B_h = 1 in den 11a bis 11C B_s = 1 ist, gelten LLOD = 3, ULOD = 10000 und DR = 3333. Demgegenüber nimmt nach Ausdruck (13) LLOD unabhängig von b proportional zur Wurzel von B_s zu, wenn c = 0 ist. Daher haben, wie in den 12A und 12C, wobei es sich um doppelt logarithmische Graphen handelt, dargestellt ist, die Anzahl der Pixel B_s des Software-Binnings und LLOD eine lineare Beziehung mit einer Steigung von 1/2. Daraus ergibt sich nach Ausdruck (17), dass, wie in der Tabelle dargestellt ist, die erste Bedingung hoher Empfindlichkeit erfüllt ist, wenn B_s ≤ 9 ist, und nach Ausdruck (20), dass die zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit erfüllt ist, wenn B_s ≤ 2 ist. Andererseits nimmt ULOD nach Ausdruck (14) unabhängig vom Dunkelstrom-Rauschverhältnis b und vom Schrotrauschverhältnis c proportional zu B_s zu. Daher haben, wie in den 12A und 12C, wobei es sich um doppelt logarithmische Graphen handelt, dargestellt ist, B_s und ULOD eine lineare Beziehung mit einer Steigung von 1.
Wie vorstehend beschrieben, nimmt DR unabhängig vom Dunkelstrom-Rauschverhältnis b und vom Schrotrauschverhältnis c proportional zur Wurzel von B_s zu. Wie in den 12A bis 12C, wobei es sich um doppelt logarithmische Graphen handelt, dargestellt ist, haben B_s und DR eine lineare Beziehung mit einer Steigung von 1/2. Daher ergibt sich aus den Ausdrücken (23) und (25), wie in der Tabelle dargestellt ist, dass die erste Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllt ist, wenn 9 ≤ B_s ist, und die zweite Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllt ist, wenn 100 ≤ B_s ist. Anhand des vorstehend Erwähnten wird es, wie durch Ausdruck (26) repräsentiert ist, klar, dass durch Setzen von B_s = 9 sowohl die erste Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die erste Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erreicht werden können. Jedoch ergibt sich aus Ausdruck (27), dass sowohl die zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die zweite Bedingung eines hohen Dynamikbereichs unter den Bedingungen aus den 12A bis 12C nicht erfüllt werden können.
In den 11A bis 11C wird B_h (= B_m) unter der Bedingung B_s = 1 geändert, während in den 12A bis 12C B_s (= B_m) unter der Bedingung B_s = 1 geändert wird. Andererseits werden in den 13A bis 13C sowohl B_h als auch B_s geändert, während das Pixelgebiet für jeden Bin fest ist, insbesondere unter der Bedingung B_m = 100 und B_m = B_h × B_s. B_h und B_s sind beide positive natürliche Zahlen. Ähnlich wie in den 11A bis 11C und in den 12A bis 12C sind die Rauschzusammensetzungen in 13A auf b = 0 und c = 0 gesetzt, in 13B auf b = 0,1 und c = 0 gesetzt und in 13C auf b = 1 und c = 0 gesetzt. In den 13A bis 13C sind LLOD, ULOD und DR durch Auftragungen von Dreiecken, Quadraten bzw. Kreisen angegeben. Die 13A bis 13C zeigen LLOD, ULOD und DR in Abhängigkeit vom Software-Binning-Verhältnis B_s/B_m als strichpunktierte Linien. Hier werden LLOD durch Ausdruck (13) erhalten, ULOD durch Ausdruck (14) erhalten und DR anhand dieser Verhältnisse erhalten. Auf der horizontalen Achse repräsentieren B_s/B_m von 1 %, 2 %, 5 %, 10 %, 20 %, 50 % und 100 % (B_h, B_s) von (100, 1), (50, 2), (20, 5), (10, 10), (5, 20), (2, 50) bzw. (1, 100). Die Auftragungen in den 13A bis 13C wurden unter diesen Binning-Bedingungen gemacht. Daher entsprechen die Auftragungen bei B_s/B_m = 1 % und 100 % in 13 den Auftragungen bei B_h = 100 in 11 bzw. den Auftragungen bei B_s = 100 in 12. Dann geben die Auftragungen von B_s/B_m = 2 % bis 50 % in 13 Zwischenergebnisse zwischen den beiden vorstehend erwähnten an. Die Binning-Bedingungen, welche die Bedingung hoher Empfindlichkeit und die Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllen, gleichen jenen aus 12, sind jedoch durch den Bereich von B_s/B_m dargestellt. Durch Setzen von B_s/B_m = 9 % können sowohl die erste Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die erste Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erreicht werden. Es ergibt sich jedoch, dass sowohl die zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die zweite Bedingung eines hohen Dynamikbereichs nicht unter den Bedingungen in 13 erfüllt werden können. Es sei bemerkt, dass die Untersuchung wie im Beispiel aus 13 unter der Bedingung B_m = 100 = 10² erfolgt. Selbstverständlich kann die gleiche Untersuchung für jedes B_m von B_m = 10° bis 10⁵ erfolgen.
In den 11 bis 13 werden Fälle untersucht, in denen das Dunkelstrom-Rauschverhältnis b unter der Bedingung c = 0 geändert wird. Dagegen werden in den nachstehend beschriebenen 14 bis 16 Fälle untersucht, in denen das Schrotrauschverhältnis c unter der Bedingung b = 0 geändert wird. Ähnlich wie in den 11A bis 11C zeigen die 14A bis 14C LLOD, ULOD und DR in Abhängigkeit von B_h unter der Bedingung B_s = 1 als gepunktete Linien. Die Rauschzusammensetzungen sind in 14A auf b = 0 und c = 0 gesetzt, in 14B auf b = 0 und c = 2,5 gesetzt und in 14C auf b = 0 und c = 10 gesetzt. Die 14A, 14B und 14C zeigen die gleichen Ergebnisse, und LLOD, ULOD und DR sind unabhängig von B_h alle konstant. Das heißt, dass LLOD = 3, ULOD = 10000 und DR = 3333 gelten, wobei es sich um die gleichen Werte wie bei B_h = 1 handelt. Diese Ergebnisse gleichen jenen in 11A. Dies liegt daran, dass, wie Ausdruck (13) zeigt, unabhängig von den Bedingungen des Dunkelstrom-Rauschverhältnisses b und des Schrotrauschverhältnisses c, LLOD unter der Bedingung b = 0 nicht von B_h abhängt und, wie Ausdruck (14) zeigt, ULOD nicht von B_h abhängt. Daher werden die erste Bedingung hoher Empfindlichkeit und die zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit für jedes B_h erfüllt. Die Binning-Bedingungen, die beide Bedingungen erfüllen, sind in 11A als B_h ≤ 10⁵ ausgedrückt. Es gibt keine Lösung für die Binning-Bedingung, welche die Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllt. Anhand des vorstehend Erwähnten ergibt sich, dass sowohl die Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die Bedingung eines hohen Dynamikbereichs unter den Bedingungen in den 14A bis 14C nicht erfüllt werden können.
Die 15A bis 15C zeigen LLOD, ULOD und DR in Abhängigkeit von B_s unter der Bedingung B_h = 1. Ähnlich wie in den 14A bis 14C sind die Rauschzusammensetzungen in 15A auf b = 0 und c = 0 gesetzt, in 15B auf b = 0 und c = 2,5 gesetzt und in 15C auf b = 0 und c = 10 gesetzt. Die Bedingungen und Ergebnisse in 15A gleichen jenen in 12A. Das heißt, dass nach Ausdruck (17) die erste Bedingung hoher Empfindlichkeit erfüllt ist, wenn B_s ≤ 9 ist, und nach Ausdruck (20) die zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit erfüllt ist, wenn B_s ≤ 2 ist. Die erste Bedingung eines hohen Dynamikbereichs ist nach Ausdruck (23) erfüllt, wenn 9 ≤ B_s ist, und die zweite Bedingung eines hohen Dynamikbereichs ist nach Ausdruck (25) erfüllt, wenn 100 ≤ B_s ist. Daraus ergibt sich, dass sowohl die erste Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die erste Bedingung eines hohen Dynamikbereichs unter der Bedingung B_s ≤ 9 erreicht werden können. Es können jedoch nicht sowohl die zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die zweite Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erreicht werden.
Die LLOD in 15B ist geringer als die LLOD in 15A, und die LLOD in 15C ist noch geringer. Dies liegt daran, dass nach Ausdruck (13) bei ansteigendem Schrotrauschverhältnis c der Beitrag von B_s zum Gesamtrauschen abnimmt, weil der Anteil des Ausleserauschens und des Dunkelstromrauschens am Gesamtrauschen abnimmt. Wie anhand des Vergleichs aus den 15A, 15B und 15C klar ist, wird DR durch Verkleinern von LLOD verbessert, weil sich die ULOD nicht in Abhängigkeit vom Schrotrauschverhältnis c ändert.
In 15B ist die erste Bedingung hoher Empfindlichkeit nach Ausdruck (17) erfüllt, wenn B_s ≤ 59 ist, und ist die zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit nach Ausdruck (20) erfüllt, wenn B_s ≤ 10 ist. Demgegenüber ist die erste Bedingung eines hohen Dynamikbereichs nach Ausdruck (23) erfüllt, wenn 4 ≤ B_s ist, und ist die zweite Bedingung eines hohen Dynamikbereichs nach Ausdruck (25) erfüllt, wenn 19 ≤ B_s ist. Daher können durch Setzen von 4 ≤ B_s ≤ 59 sowohl die erste Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die erste Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllt werden. Der Bereich der Binning-Bedingung ist größer als jener in 15A. Daraus ergibt sich, dass die Bedingungen in 15B vorteilhaft sind, um sowohl die Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die Bedingung eines hohen Dynamikbereichs zu erfüllen. Es ergibt sich jedoch, dass nicht sowohl die zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die zweite Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllt werden können. Durch Setzen von 4 ≤ B_s ≤ 10 können jedoch sowohl die zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die erste Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllt werden. Alternativ können durch Setzen von 19 ≤ B_s ≤ 59 sowohl die erste Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die zweite Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllt werden.
In 15C ist die erste Bedingung hoher Empfindlichkeit nach Ausdruck (17) erfüllt, wenn B_s ≤ 809 ist, und ist die zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit nach Ausdruck (20) erfüllt, wenn B_s ≤ 127 ist. Demgegenüber ist die erste Bedingung eines hohen Dynamikbereichs nach Ausdruck (23) erfüllt, wenn 3 ≤ B_s ist, und ist die zweite Bedingung eines hohen Dynamikbereichs nach Ausdruck (25) erfüllt, wenn 11 ≤ B_s ist. Daher können durch Setzen von 3 ≤ B_s ≤ 809 sowohl die erste Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die erste Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllt werden. Ferner können durch Setzen von 11 ≤ B_s ≤ 127 sowohl die zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die zweite Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllt werden. Es sei bemerkt, dass durch Setzen von 3 ≤ B_s ≤ 127 sowohl die zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die erste Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllt werden können. Alternativ können durch Setzen von 11 ≤ B_s ≤ 809 sowohl die erste Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die zweite Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllt werden. Es ergibt sich daher, dass die Bedingungen in 15B vorteilhafter sind als jene in 15A und dass jene in 15C sogar noch vorteilhafter sind als jene in 15B, so dass die Bedingungen mit dem höheren Schrotrauschverhältnis c in Bezug auf das Erreichen sowohl einer hohen Empfindlichkeit als auch eines hohen Dynamikbereichs vorteilhafter sind.
In den 14A bis 14C wird B_h (= B_m) unter der Bedingung B_s = 1 geändert. In den 15A bis 15C wird B_s (= B_m) unter der Bedingung B_h = 1 geändert. Andererseits werden in den 16A bis 16C ähnlich wie in den 13A bis 13C sowohl B_h als auch B_s geändert, während das Pixelgebiet jedes Bins fest ist, insbesondere B_m = B_h × B_s bei B_m = 100 konstant gehalten wird, wobei B_h und B_s beide positive natürliche Zahlen sind. Ähnlich wie in den 14 und 15 sind die Rauschzusammensetzungen in 16A auf b = 0 und c = 0 gesetzt, in 16B auf b = 0 und c = 2,5 gesetzt und in 16C auf b = 0 und c = 10 gesetzt. LLOD, ULOD und DR sind durch Auftragungen von Dreiecken, Quadraten bzw. Kreisen angegeben. Die 16A bis 16C zeigen LLOD, ULOD und DR in Abhängigkeit von B_s/B_m als strichpunktierte Linien. Hier werden LLOD durch Ausdruck (13) erhalten, ULOD durch Ausdruck (14) erhalten und DR anhand dieser Verhältnisse erhalten. Ähnlich wie in den 13A bis 13C repräsentieren auf der horizontalen Achse B_s/B_m von 1 %, 2 %, 5 %, 10 %, 20 %, 50 % und 100 % (B_h, B_s) von (100, 1), (50, 2), (20, 5), (10, 10), (5, 20), (2, 50) bzw. (1, 100). Die Auftragungen in den 16A bis 16C wurden unter diesen Binning-Bedingungen gemacht. Daher entsprechen die Auftragungen bei B_s/B_m = 1 % und 100 % in 16 den Auftragungen bei B_h = 100 in 14 bzw. den Auftragungen bei B_s = 100 in 15A. Dann geben die Auftragungen von B_s/B_m = 2 % bis 50 % in 16 Zwischenergebnisse zwischen den beiden vorstehend erwähnten an. Die Bedingung hoher Empfindlichkeit und die Bedingung eines hohen Dynamikbereichs in den 16A, 16B und 16C gleichen jenen in den 15A, 15B bzw. 15C. In 15C ist die erste Bedingung hoher Empfindlichkeit erfüllt, wenn B_s ≤ 809 ist, und ist die zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit erfüllt, wenn B_s ≤ 127 ist. Weil in 16 B_s ≤ 100 ist, werden die Binning-Bedingungen, welche die erste Bedingung hoher Empfindlichkeit und die zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit erfüllen, in 16C jedoch als B_s/B_m ≤ 100 % ausgedrückt. Es sei bemerkt, dass die Untersuchung wie im Beispiel aus 16 unter der Bedingung B_m = 100 = 10² erfolgt. Selbstverständlich kann die gleiche Untersuchung für jedes B_m von B_m = 10° bis 10⁵ erfolgen.
Anhand der vorstehenden Untersuchung wurde herausgefunden, dass das Schrotrauschverhältnis c ein wichtiger Faktor ist, um sowohl die Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die Bedingung eines hohen Dynamikbereichs zu erfüllen. In den 14 bis 16 wurden nur die Fälle von c = 0, 2,5 und 10 untersucht. In den 17A und 17B wird der Einfluss des Schrotrauschverhältnisses c auf die Bedingung hoher Empfindlichkeit und die Bedingung eines hohen Dynamikbereichs detaillierter untersucht. 17A zeigt Gebiete, welche die erste Bedingung hoher Empfindlichkeit bzw. die erste Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllen, in einem Graphen, in dem die horizontale Achse das Schrotrauschverhältnis c angibt und die vertikale Achse B_s angibt. 17B zeigt Gebiete, welche die zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit bzw. die zweite Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllen, in einem ähnlichen Graphen. In jedem der Graphen erfüllt das Gebiet unterhalb der Kurve mit den Kreisauftragungen die Bedingung hoher Empfindlichkeit und erfüllt das Gebiet oberhalb der Kurve mit den Dreiecksauftragungen die Bedingung eines hohen Dynamikbereichs. Daher erfüllt das Gebiet, in dem diese beiden Gebiete einander überlappen, in jedem der Graphen sowohl die Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die Bedingung eines hohen Dynamikbereichs. Wie anhand 17A ersichtlich ist, werden zumindest dann, wenn c ≥ 0 und B_s = 9 ist, sowohl die erste Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die erste Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllt. Dies entspricht den Ergebnissen in den 12 und 15A. Falls die Bedingung B_s = 9 die einzige Lösung ist, die beide erfüllt, ist der Lösungsbereich zu schmal und nicht praktisch einsetzbar. Im Allgemeinen ist es umso einfacher, sie beide zu erfüllen und die Wirkung zu erhalten, je breiter der Lösungsbereich ist.
Daher werden aus 17A Bedingung A, nach der der Lösungsbereich von B_s mindestens 30 Pixel aufweist, und Bedingung B, nach der der Lösungsbereich von B_s mindestens 100 Pixel aufweist, entnommen. Aus 17A ergibt sich, dass die Bedingung A c ≥ 1,75 und mindestens 4 ≤ B_s ≤ 34 ist. Es ergibt sich auch, dass die Bedingung B c ≥ 3,43 und mindestens 3 ≤ B_s ≤ 103 ist. Andererseits werden, wie in 17B ersichtlich ist, zumindest dann, wenn c ≥ 3,15 und B_s = 15 sind, sowohl die zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die zweite Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllt. Umgekehrt ergibt sich, dass es keine Lösung gibt, wenn c < 3,15 ist. Ähnlich werden auch die Bedingungen A und B aus 17B entnommen. Wie in 17B ersichtlich ist, ist Bedingung Ac ≥ 5,61 und mindestens 12 ≤ B_s ≤ 42 und ist Bedingung B c ≥ 9,31 und mindestens 11 ≤ B_s ≤ 111.
Die 17C bis 17E und 17F bis 17H sind weitere Verallgemeinerungen der Untersuchungen in 17A bzw. 17B. In den 17A und 17B werden die Beziehungen zwischen dem Schrotrauschverhältnis c und dem die Bedingung hoher Empfindlichkeit erfüllenden B_s und die Bedingung eines hohen Dynamikbereichs unter der Bedingung B_h = 1 verdeutlicht. Andererseits werden in den 17C bis 17E und in den 17F bis 17H die Beziehungen zwischen B_m und B_s/B_m (= 1/B_h), welche die Bedingung hoher Empfindlichkeit und die Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllen, ohne dass B_m, B_h oder B_s fixiert wird, verdeutlicht. Hier ist B_s/B_m das SoftwareBinning-Verhältnis und wird auch in den 13 und 16 verwendet. Weil B_m = B_h × B_s ist, kann es auch als B_s/B_m = 1/B_h ausgedrückt werden.
Die 17C bis 17E zeigen die Binning-Bedingungen, welche die erste Bedingung hoher Empfindlichkeit bzw. die erste Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllen. Die Rauschzusammensetzungen sind in 17C auf b = 0 und c = 0 gesetzt, in 17D auf b = 0 und c = 2,5 gesetzt und in 17E auf b = 0 und c = 10 gesetzt. In jedem der Graphen erfüllt das Gebiet unterhalb der gepunkteten Linie die erste Bedingung hoher Empfindlichkeit und erfüllt das Gebiet oberhalb der durchgezogenen Linie die erste Bedingung eines hohen Dynamikbereichs. Daher erfüllt in jedem der Graphen das Gebiet, das zwischen beiden Geraden sandwichförmig eingeschlossen ist, sowohl die erste Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die erste Bedingung eines hohen Dynamikbereichs. Es sei bemerkt, dass B_s/B_m 100 % nicht wirklich überschreitet. Daher liefern der durch eine dicke Linie angegebene Abschnitt in 17C und die grau schraffierten Abschnitte in den 17D und 17E die Binning-Bedingungen, die sowohl die erste Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die erste Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllen. Ähnlich wie bei den Ergebnissen aus 17A vergrößert sich, wenn das Schrotrauschverhältnis c ansteigt, das Gebiet oder der Bereich der beide erfüllenden Binning-Bedingungen. Beispielsweise werden bei B_s/B_m = 100 %, d. h. bei B_h = 1 und B_s = B_m, sowohl die erste Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die erste Bedingung eines hohen Dynamikbereichs unter den Bedingungen B_s = 9, wenn c = 0 ist, 4 ≤ B_s ≤ 59, wenn c = 2,5 ist, und 3 ≤ B_s ≤ 809, wenn c = 10 ist, erfüllt. Diese Ergebnisse können auch aus den 15A bis 15C, den 16A bis 16C und 17A entnommen werden. Andere reiche Informationen können auch aus den 17C bis 17E entnommen werden. Beispielsweise werden bei B_s/B_m = 50 %, d. h. bei B_h = 2 und B_s = 1/2*B_m, die erste Bedingung hoher Empfindlichkeit und die erste Bedingung eines hohen Dynamikbereichs unter den Bedingungen B_s = 18, wenn c = 0 ist, 7 ≤ B_s ≤ 118, wenn c = 2,5 ist, und 7 ≤ B_s ≤ 1618, wenn c = 10 ist, erfüllt. Alternativ werden bei B_s/B_m = 33,33 %, d. h. bei B_h = 3 und B_s = 1/3*B_m, die erste Bedingung hoher Empfindlichkeit und die erste Bedingung eines hohen Dynamikbereichs durch Setzen von B_s = 27, wenn c = 0 ist, 11 ≤ B_s ≤ 177, wenn c = 2,5 ist, und 10 ≤ B_s ≤ 2427, wenn c = 10 ist, erfüllt. Ferner werden, wenn α = k = 3 ist, die erste Bedingung hoher Empfindlichkeit und die erste Bedingung eines hohen Dynamikbereichs unter den Bedingungen 3 ≤ B_s ≤ 27, wenn c = 0 ist, 3 ≤ B_s ≤ 177, wenn c = 2,5 ist, und 3 ≤ B_s ≤ 2427, wenn c = 10 ist, erfüllt. Daher kann der Bereich der zulässigen Binning-Bedingungen erweitert werden.
Die 17F bis 17H zeigen die Binning-Bedingungen, welche die zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit bzw. die zweite Bedingung eines hohen Dynamikbereichs erfüllen. Die Rauschzusammensetzungen sind in 17F auf b = 0 und c = 0 gesetzt, in 17G auf b = 0 und c = 2,5 gesetzt und in 17H auf b = 0 und c = 10 gesetzt. In jedem der Graphen erfüllt das Gebiet unterhalb der gepunkteten Linie die zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit und erfüllt das Gebiet oberhalb der durchgezogenen Linie die zweite Bedingung eines hohen Dynamikbereichs. Daher erfüllt das Gebiet, das zwischen beiden Geraden sandwichförmig eingeschlossen ist, sowohl die zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die zweite Bedingung eines hohen Dynamikbereichs. In den 17F und 17G gibt es klar keine Lösung. Andererseits bietet der in 17H grau schraffierte Abschnitt die Binning-Bedingungen zum Erfüllen sowohl der zweiten Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch der zweiten Bedingung eines hohen Dynamikbereichs. Ähnlich den Ergebnissen in den 16A bis 16C und 17B wird das Gebiet oder der Bereich der Binning-Bedingungen, welche beide erfüllen, bei einer Erhöhung des Schrotrauschverhältnisses c vergrößert. Bei B_s/B_m = 100 %, d. h. bei B_h = 1 und B_s = B_m, sind sowohl die zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit als auch die zweite Bedingung eines hohen Dynamikbereichs unter der Bedingung 11 ≤ B_s ≤ 127, wenn c = 10 ist, erfüllt. Dies kann auch den 15A bis 15C und 17B entnommen werden. Andere reiche Informationen können auch aus den 17F bis 17H entnommen werden. Beispielsweise sind bei B_s/B_m = 50 %, d. h. bei B_h = 2 und B_s = 1/2*B_m, die zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit und die zweite Bedingung eines hohen Dynamikbereichs unter der Bedingung 21 ≤ B_s ≤ 254, wenn c = 10 ist, erfüllt. Alternativ sind bei B_s/B_m = 33,33%, d. h. bei B_h = 3 und B_s = 1/3*B_m, die zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit und die zweite Bedingung eines hohen Dynamikbereichs unter der Bedingung 32 ≤ B_s ≤ 381, wenn c = 10 ist, erfüllt. Ferner werden, wenn α = k = 3 ist, die zweite Bedingung hoher Empfindlichkeit und die zweite Bedingung eines hohen Dynamikbereichs unter der Bedingung 11 ≤ B_s ≤ 381, wenn c = 10 ist, erfüllt. Daher kann der Bereich der zulässigen Binning-Bedingungen erweitert werden.
Wie vorstehend beschrieben, hängen die Empfindlichkeit und der Dynamikbereich von der Konfiguration des optischen Mehrfarberfassungssystems, von der Rauschzusammensetzung und von der Binning-Bedingung ab. Daher ist es wirksam, die Binning-Bedingung in Abhängigkeit davon zu wechseln, welche Empfindlichkeit oder welcher Dynamikbereich unter gegebenen anderen Bedingungen erwünscht ist. Beispielsweise unterscheidet sich die optimale Binning-Bedingung zwischen dem Fall, in dem die Empfindlichkeit priorisiert wird, und dem Fall, in dem der Dynamikbereich priorisiert wird. Beim Multikapillarelektrophoreseinstrument ist es zweckmäßig, wenn der Benutzer eine gewünschte Binning-Bedingung aus mehreren Binning-Bedingungen auswählt.
[Beispiel 3]
Durch die verschiedenen vorstehend vorgeschlagenen Verfahren der vorliegenden Offenbarung können sowohl eine hohe Empfindlichkeit als auch ein hoher Dynamikbereich erreicht werden. Es ist jedoch klar geworden, dass nicht notwendigerweise die erwartete Empfindlichkeit und der erwartete Dynamikbereich erhalten werden können. Durch von den vorliegenden Erfindern vorgenommene detaillierte Untersuchungen wurde herausgefunden, dass die Ursache dafür das im optischen Mehrfarberfassungssystem inhärent vorhandene räumliche Übersprechen ist. Nachstehend wird das neu gefundene vorliegende Problem detailliert beschrieben.
Wie in [Technischer Hintergrund] beschrieben, weist das optische Mehrfarberfassungssystem mehrere optische Komponenten auf. Beispielsweise ist ein Kameraobjektiv eine Kombination mehrerer Linsen. Zur Unterdrückung von Lichtreflexionen an den Oberflächen dieser optischen Komponenten kann eine Antireflexionsbeschichtung auf die Oberflächen aufgebracht werden, die Lichtreflexionen können jedoch nicht auf null gesetzt werden. Wenn zwischen den Oberflächen der mehreren optischen Komponenten innerhalb des optischen Mehrfarberfassungssystems mehrere Fluoreszenzreflexionen auftreten, kann ein falsches Bild in der Art eines Geisterbilds oder eines Reflexlichts eines lichtemittierenden Punkts infolge der mehreren Reflexionen auf den Bildsensor projiziert werden. Dann kann eine Fluoreszenzmessung in einem Zustand ausgeführt werden, in dem das wahre Bild und das falsche Bild des lichtemittierenden Punkts einander überlappen. Hier kann das wahre Bild auch ein wellenlängendispergiertes Bild der vom lichtemittierenden Punkt emittierten Fluoreszenz sein. Die Größe des falschen Bilds für den lichtemittierenden Punkt ist im Allgemeinen höher als die Größe des wahren Bilds für den lichtemittierenden Punkt. Daher beeinflusst das falsche Bild einen weiten Bereich auf dem Bildsensor. Weil das falsche Bild des lichtemittierenden Punkts A beispielsweise nicht nur das wahre Bild des lichtemittierenden Punkts A, sondern auch das wahre Bild des lichtemittierenden Punkts B, überlappen kann, geschieht ein räumliches Übersprechen vom lichtemittierenden Punkt A zum lichtemittierenden Punkt B. Weil die Signalintensität des falschen Bilds viel niedriger ist als die Signalintensität des wahren Bilds, ist das Vorhandensein des falschen Bilds jedoch nicht unbedingt problematisch. Wenn die Signalintensität des wahren Bilds klein ist, ist die Signalintensität des falschen Bilds beispielsweise kleiner oder gleich der unteren Erfassungsgrenze des Bildsensors, so dass kein Problem auftritt. Wenn die Signalintensität des wahren Bilds dagegen hoch ist, überschreitet die Signalintensität des falschen Bilds die untere Erfassungsgrenze, was problematisch sein kann. Daher kann das vorliegende Problem sogar noch ausgeprägter werden, wenn der Dynamikbereich bei der Fluoreszenzmessung durch den Bildsensor zunimmt. Weil der Hauptzweck der vorliegenden Offenbarung darin besteht, sowohl eine hohe Empfindlichkeit als auch einen hohen Dynamikbereich zu erreichen, kann das Problem umso ernster werden, je größer die Wirkung ist. Daher kann das Verfahren zum Erreichen sowohl einer hohen Empfindlichkeit als auch eines hohen Dynamikbereichs gemäß der vorliegenden Offenbarung infolge des räumlichen Übersprechens nicht funktionieren. Dies ist ein neues in der vorliegenden Offenbarung gefundenes Problem.
In der vorstehenden Beschreibung wurden die Ausdrücke (1) bis (6) für jeden lichtemittierenden Punkt einzeln aufgestellt. In einem Fall, in dem das räumliche Übersprechen berücksichtigt wird, müssen diese Ausdrücke folgendermaßen erweitert werden. An jedem der lichtemittierenden Punkte P(e) (e = 1, 2, ... und E) wird Fluoreszenz von jedem der Fluorophore D(e, g) (e = 1, 2, ... und E, und g = 1, 2, ... und G) emittiert. Es wird die in allen Bins W(e, f) (e = 1, 2, ... und E, und f = 1, 2, ... und F) empfangene Fluoreszenz gemessen. Zu einer beliebigen Zeit wird die Konzentration des Fluorophors D(e, g) am lichtemittierenden Punkt P(e) als Z(e, g) bezeichnet und wird die Signalintensität des Bins W(e', f) für den lichtemittierenden Punkt P(e') als X(e', f) bezeichnet. Hier wird ein Vektor von (E × F) Zeilen und 1 Spalte mit der Signalintensität X(e', f) als Element als X bezeichnet. Ein Vektor von (E × G) Zeilen und 1 Spalte mit der Konzentration Z(e, g) als Element wird als Z bezeichnet. Eine Matrix von (E × F) Zeilen und (E × G) Spalten mit Y(e', f) (e, g) als Element wird als Y bezeichnet. Die folgenden Ausdrücke (73) bis (78) werden entsprechend den Ausdrücken (1) bis (6) hergeleitet.

[Ausdruck 73] $X = Y \times Z$

[Ausdruck 74] $X = (\begin{matrix} X (1,1) \\ ⋮ \\ X (1, F) \\ X (2,1) \\ ⋮ \\ X (E, F) \end{matrix})$

[Ausdruck 75] $Y = (\begin{matrix} Y (1,1) (1,1) & \dots & Y (1,1) (1, G) & Y (1,1) (2,1) & \dots & Y (1,1) (E, G) \\ ⋮ & ⋱ & ⋮ & ⋮ ⋰ & ⋮ \\ Y (1, F) (1,1) & \dots & Y (1, F) (1, G) & Y (1, F) (2,1) & \dots & Y (1, F) (E, G) \\ Y (2,1) (1,1) & \dots & Y (2,1) (1, G) & Y (2,1) (2,1) & \dots & Y (2,1) (E, G) \\ ⋮ & ⋰ & ⋮ & ⋮ ⋱ & ⋮ \\ Y (E, F) (1,1) & \dots & Y (E, F) (1, G) & Y (E, F) (2,1) & \dots & Y (E, F) (E, G) \end{matrix})$

[Ausdruck 76] $Z = (\begin{matrix} Z (1,1) \\ ⋮ \\ Z (1, G) \\ Z (2,1) \\ ⋮ \\ Z (E, G) \end{matrix})$

[Ausdruck 77] $\sum_{f = 1}^{F} \sum_{e = 1}^{E} Y (e, f) (e_{0}, g_{0}) = 1$

[Ausdruck 78] $Z = Y^{-} \times X$
Hier wird das Element Y(e', f) (e, g) der Matrix Y von (E × F) Zeilen und (E × G) Spalten durch eines der Folgenden angegeben: (i) Wenn e' = e ist, ist Y(e', f) (e, g) das Signalintensitätsverhältnis, bei dem die vom lichtemittierenden Punkt P(e) emittierte Fluoreszenz des Fluorophors D(e, g) für denselben lichtemittierenden Punkt P(e) infolge von spektralem Übersprechen im Bin W(e, f) erfasst wird. (ii) Wenn e' ≠ e ist, ist Y(e', f) (e, g) das Signalintensitätsverhältnis, bei dem die vom lichtemittierenden Punkt P(e) emittierte Fluoreszenz des Fluorophors D(e, g) für den anderen lichtemittierenden Punkt P(e') infolge von räumlichem Übersprechen im Bin W(e', f) erfasst wird. An einem lichtemittierenden Punkt P(e₀) wird ein Fluorophortyp D(e₀, g₀) veranlasst, allein Fluoreszenz zu emittieren, wodurch jede Spalte Y(e, f) (e₀, g₀) (e = 1, 2, ... und E, und f = 1, 2, ... und F) der Matrix Y bestimmt werden kann. Ausdruck (77) wird so normiert, dass die Summe von (E × F) Elementen jeder Spalte Y(e, f) (e₀, g₀) der Matrix Y 1 wird. Wie vorstehend beschrieben, geben von den (E × F) Elementen jeder Spalte Y(e, f) (e₀, g₀) der Matrix Y die F Elemente, an denen e = e₀ ist, die spektralen Übersprechverhältnisse an und geben die ((E - 1) × F) Elemente, an denen e ≠ e₀ ist, die räumlichen Übersprechverhältnisse an. Bei den vorstehenden F Elementen sind die räumlichen Übersprechverhältnisse nach Ausdruck (3) die gleichen wie die F Elemente der Elemente Y(f) (g₀) jeder Spalte der Matrix Y Es sei bemerkt, dass sich die Normierungsbedingung zwischen Ausdruck (5) und Ausdruck (77) unterscheidet. Im Allgemeinen sind die räumlichen Übersprechverhältnisse viel kleiner als die spektralen Übersprechverhältnisse, die räumlichen Übersprechverhältnisse können jedoch nicht als null angesehen werden. Umgekehrt gleichen die Ausdrücke (73) bis (78) den Ausdrücken (1) bis (6), falls alle räumlichen Übersprechverhältnisse als null angesehen werden können.
Der durch das Element Y(e', f) (e, g), wobei e' ≠ e in der Matrix Y ist, angegebene Maximalwert der räumlichen Übersprechverhältnisse wird als maximales räumliches Übersprechverhältnis XR2 = Y(e_m', f_m') (e_m, g_m) bezeichnet. Hier wird angenommen, dass die vom lichtemittierenden Punkt P(e_m) emittierte Fluoreszenz des Fluorophors D(e_m, g_m) für den lichtemittierenden Punkt P(e_m') beim maximalen räumlichen Übersprechverhältnis XR2 im Bin W(e_m', f_m') gemessen wird. Das heißt, dass angenommen wird, dass das maximale räumliche Übersprechen im Bin W(e_m', f_m') erhalten wird. Für den bin W(e_m', f_m') werden die Anzahl der Pixel als B_m' bezeichnet, die Anzahl der Pixel des Hardware-Binnings als B_h' bezeichnet und die Anzahl der Pixel des Software-Binnings als B_s' bezeichnet. Das Ausleserauschen pro Einzelpixel wird als N_r bezeichnet. Das Dunkelstromrauschen pro Einzelpixel wird als N_d bezeichnet. Das Schrotrauschen des im Bin W(e_m', f_m'), wenn Licht vom lichtemittierenden Punkt emittiert wird, gemessenen Hintergrundlichts wird als N_s' bezeichnet. Das Dunkelstrom-Rauschverhältnis wird als b bezeichnet. Das Schrotrauschverhältnis wird als c' bezeichnet. Der Sättigungslichtmengenkoeffizient wird als α bezeichnet. Die untere Erfassungsgrenze LLOD, die obere Erfassungsgrenze ULOD und der Dynamikbereich DR für den Bin W(e_m', f_m') werden durch Modifizieren der Ausdrücke (13), (14) bzw. (15) durch die Ausdrücke (79), (80) bzw. (81) ausgedrückt.

[Ausdruck 79] $L L O D = \sqrt{B_{s}' + b^{2} \cdot B_{m}' + c'^{2}} \times 3 \cdot N_{r}$

[Ausdruck 80] $U L O D = B_{s}' \cdot α \cdot M$

[Ausdruck 81] $D R = \frac{B_{s}'}{\sqrt{B_{s}' + b^{2} \cdot B_{m}' + c^{2}}} \cdot \frac{α \cdot M}{3 \cdot N_{r}}$
Andererseits wird der Maximalwert der spektralen Übersprechverhältnisse des Elements Y(e', f) (e, g), wobei e' = e in der Matrix Y ist, als maximales spektrales Übersprechverhältnis XR1 = Y(e_m, f_m) (e_m, g_m) bezeichnet. Es wird angenommen, dass die vom lichtemittierenden Punkt P(e_m) emittierte Fluoreszenz des Fluorophors D(e_m, g_m) für den lichtemittierenden Punkt P(e_m) beim maximalen spektralen Übersprechverhältnis XR1 im Bin W(e_m, f_m) gemessen wird. Das heißt, dass angenommen wird, dass das maximale spektrale Übersprechen im Bin (e_m, f_m) erhalten wird. Für den Bin W(e_m, f_m) werden die Anzahl der Pixel als B_m bezeichnet, die Anzahl der Pixel des Hardware-Binnings als B_h bezeichnet und die Anzahl der Pixel des Software-Binnings als B_s bezeichnet. Das Ausleserauschen pro Einzelpixel wird als N_r bezeichnet. Das Dunkelstromrauschen pro Einzelpixel wird als N_d bezeichnet. Das Schrotrauschen des Hintergrundlichts, wenn Licht von jedem lichtemittierenden Punkt emittiert und im Bin W(e_m, f_m) gemessen wird, wird als N_s bezeichnet. Das Dunkelstrom-Rauschverhältnis wird als b bezeichnet. Das Schrotrauschverhältnis wird als c bezeichnet. Der Sättigungslichtmengenkoeffizient wird als α bezeichnet. LLOD, ULOD und DR für den Bin W(e_m, f_m) werden durch Ausdruck (13), Ausdruck (14) bzw. Ausdruck (15) ausgedrückt.
Wie vorstehend beschrieben, wird auf der Grundlage der vom lichtemittierenden Punkt P(e_m) emittierten Fluoreszenz des Fluorophors D(e_m, g_m) das Verhältnis zwischen der durch das räumliche Übersprechen gemessenen maximalen Signalintensität und der durch das spektrale Übersprechen gemessenen maximalen Signalintensität als Übersprechverhältnis XR bezeichnet, das als XR = XR2/XR1 ausgedrückt wird. Wenn nur das Fluorophor D(e_m, g_m) Fluoreszenz am lichtemittierenden Punkt P(e_m) emittiert, stimmt das Übersprechverhältnis XR auch mit dem Maximalwert des Verhältnisses zwischen der Signalintensität der Konzentration Z(e_m', g_m') des Fluorophors D(e_m', g_m') am lichtemittierenden Punkt P(e_m') und der Signalintensität der Konzentration Z(e_m, g_m) des Fluorophors D(e_m, g_m) am lichtemittierenden Punkt P(e_m) überein, wobei die vorstehenden Signalintensitäten durch die Farbwandlung nach Ausdruck (6) abgeleitet werden. Das heißt, dass das Übersprechverhältnis XR sowohl vor als auch nach der Farbwandlung abgeleitet werden kann und ein den Einfluss des räumlichen Übersprechens repräsentierender Index ist.
Hier wird angenommen, dass die Lichtmenge bei ULOD im Bin W(e_m, f_m) gemessen wird, wenn die Fluoreszenz des Fluorophors D(e_m, g_m) vom lichtemittierenden Punkt P(e_m) emittiert wird. Dann wird die im Bin W(e_m', f_m') für den lichtemittierenden Punkt P(e_m') gemessene Lichtmenge des maximalen räumlichen Übersprechens durch Multiplizieren der Sättigungslichtmenge bei ULOD in Ausdruck (14) mit dem Übersprechverhältnis XR erhalten. Zur Verwirklichung sowohl einer hohen Empfindlichkeit als auch eines hohen Dynamikbereichs, ohne durch das räumliche Übersprechen beeinflusst zu werden, ist es ausreichend, wenn die Lichtmenge des maximalen räumlichen Übersprechens in Ausdruck (79) kleiner als LLOD ist. Diese Bedingung wird durch Ausdruck (82) ausgedrückt.

[Ausdruck 82] $X R \leq \frac{\sqrt{B_{s}' + b^{2} \cdot B_{m}' + c'^{2}}}{B_{s}} \cdot \frac{3 \cdot N_{r}}{α \cdot M}$
Nachstehend gelten durch Gleichsetzen der Binning-Bedingungen und der Rauschbedingungen für den lichtemittierenden Punkt P(e_m) und für den lichtemittierenden Punkt P(e_m') B_m' = B_m, B_h' = B_h, B_s' = B_s, N_s' = N_s und c' = c. Dann wird Ausdruck (82) durch Ausdruck (83) ausgedrückt.

[Ausdruck 83] $X R \leq \frac{\sqrt{B_{s} + b^{2} \cdot B_{m} + c^{2}}}{B_{s}} \cdot \frac{3 \cdot N_{r}}{α \cdot M}$
Die Ausdrücke (79), (73) bzw. (81) werden durch die Ausdrücke (13), (14) bzw. (15) ersetzt. Die rechte Seite von Ausdruck (83) ist der Kehrwert des durch Ausdruck (15) ausgedrückten Dynamikbereichs DR. Durch Erfüllen des vorstehenden Ausdrucks (83) mit der Bedingung hoher Empfindlichkeit und der Bedingung eines hohen Dynamikbereichs, die bisher vorgeschlagen wurden, beispielsweise nach Ausdruck (26) oder Ausdruck (27) kann der Einfluss des räumlichen Übersprechens vermieden werden und können sowohl eine hohe Empfindlichkeit als auch ein hoher Dynamikbereich erreicht werden.
Umgekehrt wird Ausdruck (13) durch den folgenden Ausdruck (84) ersetzt, wenn Ausdruck (83) nicht erfüllt ist.

[Ausdruck 84] $L L O D = X R \cdot B_{s} \cdot α \cdot M$
Das heißt, dass LLOD unabhängig von der Binning-Bedingung und der Rauschbedingung durch das Übersprechverhältnis XR bestimmt wird. Weil ULOD noch durch Ausdruck (14) repräsentiert wird, wird der Dynamikbereich DR durch Ausdruck (85) ausgedrückt.

[Ausdruck 85] $D R = \frac{1}{X R}$
Daher wird der Dynamikbereich DR unabhängig von der Binning-Bedingung und von der Rauschbedingung auch durch das Übersprechverhältnis XR bestimmt.
Anhand des Vorstehenden ist klar, dass das Verringern des Übersprechverhältnisses XR auf ein niedriges Niveau für das Erreichen sowohl einer hohen Empfindlichkeit als auch eines hohen Dynamikbereichs wichtig ist. Die 18A bis 18F zeigen LLOD, ULOD und DR in Abhängigkeit von B_s, wenn das Übersprechverhältnis XR auf der Grundlage der Bedingungen in 15C geändert wird. Hier gilt XR = 0 in 18, welche die gleichen Ergebnisse wie 15C zeigt. Überdies gelten XR = 10^-6 in 18B, XR = 10^-5 in 18C, XR = 10^-4 in 18D, XR = 10^-3 in 18E und XR = 10^-2 in 18F. In allen Graphen ist ULOD in Abhängigkeit von B_s gleich. Andererseits sind LLOD und DR in Abhängigkeit von B_s die gleichen wie in 18A, wenn Ausdruck (83) erfüllt ist, sie folgen jedoch den Ausdrücken (84) und (85), wenn Ausdruck (83) nicht erfüllt ist. Wie anhand 18 ersichtlich ist, ist die Wirkung des Erhöhens von DR durch Erhöhen von B_s begrenzt, weil die Obergrenze von DR gemäß Ausdruck (85) abnimmt, wenn das Übersprechverhältnis XR zunimmt. Aus den Ergebnissen der 18A bis 18F ergibt sich, dass XR ≤ 10^-4 erfüllt sein muss, um die erste Bedingung hoher Empfindlichkeit und die erste Bedingung eines hohen Dynamikbereichs zu erfüllen.
In den 18A bis 18F ist das Gesamtrauschen im Fall B_h = B_s = 1 bei N = 1 konstant. Andererseits ändert sich in den 19A bis 19F das Gesamtrauschen im Fall B_h = B_s = 1 und ist bei N = 10 konstant, und die anderen Bedingungen gleichen jenen in 18. In 19A ist das Gesamtrauschen um eine Zehnerpotenz höher als in 18A. Dementsprechend ist LLOD insgesamt um eine Zehnerpotenz erhöht und ist DR um eine Zehnerpotenz verringert. Aus den 19B bis 19F ergibt sich ähnlich wie in den 18B bis 18F, dass die Wirkung des Erhöhens von DR durch Erhöhen von B_s begrenzt ist, während die Wirkung des Erhöhens von DR in einem breiteren Bereich erhalten wird. Beispielsweise ergibt sich aus den Ergebnissen in den 19A bis 19F, dass XR ≤ 10^-3 erfüllt sein muss, um die erste Bedingung hoher Empfindlichkeit und die erste Bedingung eines hohen Dynamikbereichs zu erfüllen. Der Bereich des Übersprechverhältnisses XR ist um eine Zehnerpotenz breiter als in den 18A bis 18F. In den 19A bis 19F wird der Einfluss des Erhöhens des Gesamtrauschens um eine Zehnerpotenz untersucht. Alternativ kann die gleiche Wirkung wie in den 19A bis 19F durch Verringern der Sättigungslichtmenge M pro Einzelpixel um eine Zehnerpotenz erhalten werden. Das vorstehend Erwähnte kann auch dadurch verstanden werden, dass das Rauschen und die Sättigungslichtmenge im Zähler bzw. im Nenner der rechten Seite von Ausdruck (83) enthalten sind.
Wie vorstehend beschrieben, ist es zum Erreichen sowohl einer hohen Empfindlichkeit als auch eines hohen Dynamikbereichs, zusätzlich zum Erfüllen der Bedingung hoher Empfindlichkeit und der Bedingung eines hohen Dynamikbereichs, die durch die Ausdrücke (8) bis (67) repräsentiert sind, wichtig, das Übersprechverhältnis auf einen niedrigen Wert zu verringern. Es gibt mehrere Wege zum Verringern des Übersprechverhältnisses. Wenngleich ein einfaches Mittel darin besteht, eine wenig reflektierende Antireflexionsbeschichtung auf die Oberflächen der Teillinsen des Kameraobjektivs aufzubringen, kann dies allein nicht ausreichen. Es ist auch wirksam, eine Antireflexionsbeschichtung auf die Oberflächen jeder optischen Komponente des optischen Mehrfarberfassungssystems aufzubringen. Beispielsweise ist es wirksam, eine Antireflexionsbeschichtung auf die Eintritts-/Austrittsflächen des Transmissionsbeugungsgitters, insbesondere auf die Fläche auf der Seite, auf der sich keine Gravur befindet, aufzubringen. Es ist sehr wirksam, eine Antireflexionsbeschichtung auf die Oberfläche des Bildsensors aufzubringen, insbesondere auf beide Oberflächen des Glasfensters des Bildsensors, weil eine solche Antireflexionsbeschichtung häufig nicht aufgebracht ist.
Alternativ ist es auch wirksam, das Übersprechen durch Datenverarbeitung zu verringern. Bei der durch Ausdruck (6) repräsentierten Farbwandlung wird das räumliche Übersprechen nicht berücksichtigt. Daher spiegelt sich der Einfluss des räumlichen Übersprechens, falls es in erheblichem Maße auftritt, direkt in den Ergebnissen wider. Weil das räumliche Übersprechen andererseits in Ausdruck (78) berücksichtigt wird, kann der Einfluss des räumlichen Übersprechens durch Ausdruck (78) verringert werden. Das heißt, dass Ausdruck (78) ein Verfahren zum gemeinsamen Aufheben des räumlichen und des spektralen Übersprechens repräsentiert. Das Aufheben des spektralen Übersprechens entspricht der herkömmlichen Farbwandlung. Das Übersprechverhältnis XR = XR2/XR1 ändert sich auch dann nicht, wenn Ausdruck (78) implementiert wird. Wenn jedoch nur das Fluorophor D(e_m, g_m) Fluoreszenz am lichtemittierenden Punkt P(e_m) emittiert und das Übersprechverhältnis XR durch den Maximalwert des Verhältnisses zwischen der Signalintensität der Konzentration Z(e_m', g_m') des Fluorophors D(e_m', g_m') am lichtemittierenden Punkt P(e_m') und der Signalintensität der Konzentration Z(e_m, g_m) des Fluorophors D(e_m, g_m) am lichtemittierenden Punkt P(e_m) definiert ist, kann das Übersprechverhältnis XR durch Ausdruck (78) verringert werden. Auf diese Weise können durch Verringern des räumlichen Übersprechens durch die Datenverarbeitung nach Ausdruck (78) sowohl eine hohe Empfindlichkeit als auch ein hoher Dynamikbereich erreicht werden, wobei es sich um die Aufgaben der vorliegenden Offenbarung handelt.
[Modifikationen]
Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern schließt verschiedene Modifikationen ein. Beispielsweise wurden die vorstehenden Ausführungsformen für ein leichtes Verständnis der vorliegenden Offenbarung detailliert beschrieben und weist die Erfindung nicht notwendigerweise alle beschriebenen Konfigurationen auf. Ein Teil einer bestimmten Ausführungsform kann durch die Konfiguration einer anderen Ausführungsform ersetzt werden. Ferner kann die Konfiguration einer Ausführungsform zur Konfiguration einer anderen Ausführungsform hinzugefügt werden. Es ist auch möglich, einen Teil der Konfiguration einer anderen Ausführungsform zu einem Teil der Konfiguration jeder Ausführungsform hinzuzufügen, daraus zu entnehmen oder dadurch zu ersetzen.
Bezugszeichenliste

1: Kapillare
2: Probeneinspritzende
3: Probenelutionsende
4: Kathode
5: Anode
6: kathodenseitige Pufferlösung
7: anodenseitige Pufferlösung
8: Stromversorgung
9: Pumpenblock
10: Ventil
11: Spritze
12: Laserlichtquelle
13: Laserstrahl
14: lichtemittierender Punkt
15: optisches Mehrfarberfassungssystem
16: erste Kameralinse
17: Langpassfilter
18: Transmissionsbeugungsgitter
19: zweite Kameralinse
20: Bildsensor
21: optische Achse
22: Fluoreszenz
23,: 24, 25 dispergierte Fluoreszenz
26: Gesamtbild
27: wellenlängendispergiertes Bild
28: Pixel
W(1): Bin 1
W(2): Bin 2
W(3): Bin 3
7-1: Hardware-Binning-Gebiet mit B_h = 36
8-1 bis 8-12: Hardware-Binning-Gebiet mit B_h = 3
9-1 bis 9-36: Hardware-Binning-Gebiet mit B_h = 1
10-1: Hardware-Binning-Gebiet mit B_h = 4
10-2: Hardware-Binning-Gebiet mit B_h = 5
10-3: Hardware-Binning-Gebiet mit B_h = 6
10-4: Hardware-Binning-Gebiet mit B_h = 5
10-5: Hardware-Binning-Gebiet mit B_h = 4
10-6: Hardware-Binning-Gebiet mit B_h = 6
10-7: Hardware-Binning-Gebiet mit B_h = 5
10-8: Hardware-Binning-Gebiet mit B_h = 1
Bh: Anzahl der Pixel des Hardware-Binnings
Bs: Anzahl der Pixel des Software-Binnings
b: Dunkelstrom-Rauschverhältnis
c: Schrotrauschverhältnis
LLOD: untere Erfassungsgrenze
ULOD: obere Erfassungsgrenze
DR: Dynamikbereich
Bs/Bm: Software-Binning-Verhältnis
N: Gesamtrauschen
XR: Übersprechverhältnis

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 6820907 B1 [0017]
JP 4823522 B1 [0017]
JP 6286028 B1 [0017]
JP 6093274 B1 [0017]
US 10902593 [0017]

Claims

Multikapillarelektrophoreseinstrument, aufweisend: E Kapillaren, in die E (≥ 2) Probentypen, die Komponenten enthalten, die mit G (≥ 2) Fluorophortypen markiert sind, eingeleitet werden, welche gleichzeitig einer Elektrophorese unterzogen werden, eine Lichtquelle, die ausgelegt ist, Messzielabschnitte der E Kapillaren, die sich in derselben Ebene befinden, mit einem Laserstrahl zu bestrahlen, und ein optisches System, das von den durch den Laserstrahl angeregten Fluorophoren emittierte Fluoreszenzen empfängt, wenn die Fluorophore durch die Messzielabschnitte hindurchtreten, wobei das optische System Folgendes aufweist: ein spektroskopisches Element, das ausgelegt ist, die von den E Kapillaren emittierten Fluoreszenzen in F (≥ 2, F ≥ G) Typen vorbestimmter Wellenlängenbänder zu dispergieren, und einen Bildsensor mit mehreren zweidimensional angeordneten Pixeln, der ausgelegt ist, E × F dispergierte Fluoreszenzen in verschiedenen Gebieten zu empfangen, wobei der Bildsensor ausgelegt ist, Folgendes auszuführen: Festlegen eines Bin-Gebiets zum Messen einer Lichtempfangsmenge in jedem der E × F Gebiete und Erfassen von Zeitreihendaten von E × F Fluoreszenzintensitäten durch kontinuierliches Messen der Lichtempfangsmengen in den E × F Bin-Gebieten bei einer vorbestimmten Belichtungszeit und einem vorbestimmten Zeitintervall, wobei in einem Fall, in dem in einem der E × F Bin-Gebiete die Anzahl der Pixel im Bin-Gebiet als B_m (≥ 1) bezeichnet ist, das Bin-Gebiet in B_s (≥ 1) Hardware-Binning-Gebiete unterteilt ist, die durchschnittliche Anzahl der Pixel der Hardware-Binning-Gebiete als B_h (≥ 1) bezeichnet ist, die Anzahl der Pixel des Software-Binnings im Bin-Gebiet als B_s bezeichnet ist, $B_{m} = B_{h} \times B_{s} ist,$
das Verhältnis zwischen dem Maximalwert der durch Ausführen eines Hardware-Binnings ausgelesenen Sättigungslichtmenge und der Sättigungslichtmenge pro Einzelpixel des Bildsensors als Sättigungslichtmengenverhältnis k (≥ 1) festgelegt ist, der Sättigungslichtmengenkoeffizient α auf α = 1 gesetzt ist, wenn B_h = 1 ist, auf α = B_h gesetzt ist, wenn 1 < B_h < k ist, und auf α = k gesetzt ist, wenn k ≤ B_h ist, und $B_{m} = B_{h} = B_{s} = 1 ist,$
das Gesamtrauschen der Zeitreihendaten der Fluoreszenzintensität in drei Komponenten des Ausleserauschens des Bildsensors, des Dunkelstromrauschens des Bildsensors und des Schrotrauschens des Hintergrundlichts klassifiziert ist, und wenn das Gesamtrauschen als N bezeichnet ist, das Ausleserauschen als N_r bezeichnet ist, das Dunkelstromrauschen als N_d bezeichnet ist und das Schrotrauschen als N_s bezeichnet ist und das Dunkelstrom-Rauschverhältnis durch b = N_d/N_r repräsentiert ist und das Schrotrauschverhältnis durch c = N_s/N_r repräsentiert ist, B_m, B_h, B_s, k, α, b und c eine vorbestimmte Beziehung erfüllen.
Multikapillarelektrophoreseinstrument nach Anspruch 1, wobei $\frac{9 + \sqrt{81 + 36 \cdot α^{2} \cdot (b^{2} + c^{2} + 1) \cdot (B_{m} \cdot b^{2} + c^{2})}}{2 \cdot α^{2} \cdot (b^{2} + c^{2} + 1)} \leq B_{s} \leq (9 - B_{m}) \cdot b^{2} + 8 \cdot c^{2} + 9$
erfüllt ist.
Multikapillarelektrophoreseinstrument nach Anspruch 2, wobei B_h = 1 ist und $\frac{9 \cdot (b^{2} + 1) + \sqrt{81 \cdot {(b^{2} + 1)}^{2} + 36 \cdot α^{2} \cdot (b^{2} + c^{2} + 1) \cdot c^{2}}}{2 \cdot α^{2} \cdot (b^{2} + c^{2} + 1)} \leq B_{s} \leq \frac{9 \cdot b^{2} + 8 \cdot c^{2} + 9}{b^{2} + 1}$
erfüllt ist.
Multikapillarelektrophoreseinstrument nach Anspruch 1, wobei $\frac{100 + \sqrt{10000 + 400 \cdot α^{2} \cdot (b^{2} + c^{2} + 1) \cdot (B_{m} \cdot b^{2} + c^{2})}}{2 \cdot α^{2} \cdot (b^{2} + c^{2} + 1)} \leq B_{s} \leq \frac{(9 - 4 \cdot B_{m}) \cdot b^{2} + 5 \cdot c^{2} + 9}{4}$
erfüllt ist.
Multikapillarelektrophoreseinstrument nach Anspruch 4, wobei B_h = 1 ist und $\frac{100 \cdot (b^{2} + 1) + \sqrt{10000 \cdot {(b^{2} + 1)}^{2} + 400 \cdot α^{2} \cdot (b^{2} + c^{2} + 1) \cdot c^{2}}}{2 \cdot α^{2} \cdot (b^{2} + c^{2} + 1)} \leq B_{s} \leq \frac{9 \cdot b^{2} + 5 \cdot c^{2} + 9}{4 \cdot (b^{2} + 1)}$
erfüllt ist.
Multikapillarelektrophoreseinstrument nach Anspruch 1, wobei c ≥ 2,5, B_h = 1 und 4 ≤ B_s ≤ 59 erfüllt sind.
Multikapillarelektrophoreseinstrument nach Anspruch 1, wobei c ≥ 10, B_h = 1 und 3 ≤ B_s ≤ 809 erfüllt sind.
Multikapillarelektrophoreseinstrument nach Anspruch 7, wobei c ≥ 10, B_h = 1 und 11 ≤ B_s ≤ 127 erfüllt sind.
Multikapillarelektrophoreseinstrument, aufweisend: E Kapillaren, in die E (≥ 2) Probentypen, die Komponenten enthalten, die mit G (≥ 2) Fluorophortypen markiert sind, eingeleitet werden, welche gleichzeitig einer Elektrophorese unterzogen werden, eine Lichtquelle, die ausgelegt ist, Messzielabschnitte der E Kapillaren, die sich in derselben Ebene befinden, mit einem Laserstrahl zu bestrahlen, und ein optisches System, das von den durch den Laserstrahl angeregten Fluorophoren emittierte Fluoreszenzen empfängt, wenn die Fluorophore durch die Messzielabschnitte hindurchtreten, wobei das optische System Folgendes aufweist: ein spektroskopisches Element, das ausgelegt ist, die von den E Kapillaren emittierten Fluoreszenzen in F (≥ 2, F ≥ G) Typen vorbestimmter Wellenlängenbänder zu dispergieren, und einen Bildsensor mit mehreren zweidimensional angeordneten Pixeln, der ausgelegt ist, E × F dispergierte Fluoreszenzen in verschiedenen Gebieten zu empfangen, wobei der Bildsensor ausgelegt ist, Folgendes auszuführen: Festlegen eines Bin-Gebiets zum Messen einer Lichtempfangsmenge in jedem der E × F Gebiete, wenn ein Fluorophor der G-Fluorophortypen Fluoreszenz in einer der E Kapillaren emittiert, Ableiten von F normierten Lichtempfangsmengen durch Ausführen einer Normierung der Lichtempfangsmengen der entsprechenden F Bin-Gebiete mit einem Maximalwert von 1, Festlegen eines Satzes der Bin-Gebiete, deren normierte Lichtempfangsmengen aus den F normierten Lichtempfangsmengen mindestens 0,5 sind, als zusammengeführtes Bin-Gebiet und unter der Annahme, dass Zeitreihendaten der Fluoreszenzintensität des zusammengeführten Bin-Gebiets durch kontinuierliches Messen der Lichtempfangsmenge im zusammengeführten Bin-Gebiet bei einer vorbestimmten Belichtungszeit und einem vorbestimmten Zeitintervall zu erfassen sind, die Anzahl der Pixel im zusammengeführten Bin-Gebiet als B_m (≥ 1) bezeichnet ist, das zusammengeführte Bin-Gebiet in B_s (≥ 1) Hardware-Binning-Gebiete unterteilt ist, die durchschnittliche Anzahl der Pixel der Hardware-Binning-Gebiete als B_h (≥ 1) bezeichnet ist, die Anzahl der Pixel des Software-Binnings im zusammengeführte Bin-Gebiet als B_s bezeichnet ist, $B_{m} = B_{h} \times B_{s} ist,$
das Verhältnis zwischen dem Maximalwert der durch Ausführen eines Hardware-Binnings ausgelesenen Sättigungslichtmenge und der Sättigungslichtmenge pro Einzelpixel des Bildsensors als Sättigungslichtmengenverhältnis k (≥ 1) festgelegt ist, der Sättigungslichtmengenkoeffizient α auf α = 1 gesetzt ist, wenn B_h = 1 ist, auf α = B_h gesetzt ist, wenn 1 < B_h < k ist, und auf α = k gesetzt ist, wenn k ≤ B_h ist, und wenn B_m = B_h = B_s = 1 ist, das Gesamtrauschen der Zeitreihendaten der Fluoreszenzintensität in drei Komponenten des Ausleserauschens des Bildsensors, des Dunkelstromrauschens des Bildsensors und des Schrotrauschens des Hintergrundlichts klassifiziert ist, und das Gesamtrauschen als N bezeichnet ist, das Ausleserauschen als N_r bezeichnet ist, das Dunkelstromrauschen als N_d bezeichnet ist und das Schrotrauschen als N_s bezeichnet ist und das Dunkelstrom-Rauschverhältnis durch b = N_d/N_r repräsentiert ist und das Schrotrauschverhältnis durch c = N_s/N_r repräsentiert ist, B_m, B_h, B_s, k, α, b und c eine vorbestimmte Beziehung erfüllen.
Multikapillarelektrophoreseinstrument nach Anspruch 9, wobei $\frac{9 + \sqrt{81 + 36 \cdot α^{2} \cdot (b^{2} + c^{2} + 1) \cdot (B_{m} \cdot b^{2} + c^{2})}}{2 \cdot α^{2} \cdot (b^{2} + c^{2} + 1)} \leq B_{s} \leq (9 - B_{m}) \cdot b^{2} + 8 \cdot c^{2} + 9$
erfüllt sind.
Multikapillarelektrophoreseinstrument nach Anspruch 10, wobei B_h = 1 und $\frac{9 \cdot (b^{2} + 1) + \sqrt{81 \cdot {(b^{2} + 1)}^{2} + 36 \cdot α^{2} \cdot (b^{2} + c^{2} + 1) \cdot c^{2}}}{2 \cdot α^{2} \cdot (b^{2} + c^{2} + 1)} \leq B_{s} \leq \frac{9 \cdot b^{2} + 8 \cdot c^{2} + 9}{b^{2} + 1}$
erfüllt sind.
Multikapillarelektrophoreseinstrument nach Anspruch 9, wobei $\frac{100 + \sqrt{10000 + 400 \cdot α^{2} \cdot (b^{2} + c^{2} + 1) \cdot (B_{m} \cdot b^{2} + c^{2})}}{2 \cdot α^{2} \cdot (b^{2} + c^{2} + 1)} \leq B_{s} \leq \frac{(9 - 4 \cdot B_{m}) \cdot b^{2} + 5 \cdot c^{2} + 9}{4}$
erfüllt ist.
Multikapillarelektrophoreseinstrument nach Anspruch 12, wobei B_h = 1 und $\frac{100 \cdot (b^{2} + 1) + \sqrt{10000 \cdot {(b^{2} + 1)}^{2} + 400 \cdot α^{2} \cdot (b^{2} + c^{2} + 1) \cdot c^{2}}}{2 \cdot α^{2} \cdot (b^{2} + c^{2} + 1)} \leq B_{s} \leq \frac{9 \cdot b^{2} + 5 \cdot c^{2} + 9}{4 \cdot (b^{2} + 1)}$
erfüllt sind.
Multikapillarelektrophoreseinstrument, aufweisend: E Kapillaren, in die E (≥ 2) Probentypen, die Komponenten enthalten, die mit G (≥ 2) Fluorophortypen markiert sind, eingeleitet werden, welche gleichzeitig einer Elektrophorese unterzogen werden, eine Lichtquelle, die ausgelegt ist, Messzielabschnitte der E Kapillaren, die sich in derselben Ebene befinden, mit einem Laserstrahl zu bestrahlen, und ein optisches System, das von den durch den Laserstrahl angeregten Fluorophoren emittierte Fluoreszenzen empfängt, wenn die Fluorophore durch die Messzielabschnitte hindurchtreten, wobei das optische System Folgendes aufweist: ein spektroskopisches Element, das ausgelegt ist, die von den E Kapillaren emittierten Fluoreszenzen in F (≥ 2, F ≥ G) Typen vorbestimmter Wellenlängenbänder zu dispergieren, und einen Bildsensor mit mehreren zweidimensional angeordneten Pixeln, der ausgelegt ist, E × F dispergierte Fluoreszenzen in verschiedenen Gebieten zu empfangen, wobei der Bildsensor ausgelegt ist, Folgendes auszuführen: Festlegen eines Bin-Gebiets zum Messen einer Lichtempfangsmenge in jedem der E × F Gebiete, Erfassen von Zeitreihendaten von E × F Fluoreszenzintensitäten durch kontinuierliches Messen der Lichtempfangsmengen in den E × F Bin-Gebieten bei einer vorbestimmten Belichtungszeit und einem vorbestimmten Zeitintervall, und Ableiten von Zeitreihendaten von Konzentrationen der G Fluorophortypen durch Berechnung unter Verwendung der Zeitreihendaten der E × F Fluoreszenzintensitäten, wenn ein Fluorophor der G-Fluorophortypen Fluoreszenz einer der E Kapillaren emittiert und wenn XR das Verhältnis zwischen dem Maximalwert der durch die Berechnung abgeleiteten Konzentrationen jeglicher der Fluorophore in jeglichen der Kapillaren mit Ausnahme der einen Kapillare und der durch die Berechnung abgeleiteten Konzentration des einen Fluorophortyps der einen Kapillare ist, in einem der E × F Bin-Gebiete die Anzahl der Pixel im Bin-Gebiet als B_m (≥ 1) bezeichnet ist, das Bin-Gebiet in B_s (≥ 1) Hardware-Binning-Gebiete unterteilt ist, die durchschnittliche Anzahl der Pixel der Hardware-Binning-Gebiete als B_h (≥ 1) bezeichnet ist, die Anzahl der Pixel des Software-Binnings im Bin-Gebiet als B_s bezeichnet ist, $B_{m} = B_{h} \times B_{s} ist,$
das Verhältnis zwischen dem Maximalwert der durch Ausführen eines Hardware-Binnings ausgelesenen Sättigungslichtmenge und der Sättigungslichtmenge pro Einzelpixel des Bildsensors als Sättigungslichtmengenverhältnis k (≥ 1) festgelegt ist, der Sättigungslichtmengenkoeffizient α auf α = 1 gesetzt ist, wenn B_h = 1 ist, auf α = B_h gesetzt ist, wenn 1 < B_h < k ist, und auf α = k gesetzt ist, wenn k ≤ B_h ist, und $B_{m} = B_{h} = B_{s} = 1 ist,$
das Gesamtrauschen der Zeitreihendaten der Fluoreszenzintensität in drei Komponenten des Ausleserauschens des Bildsensors, des Dunkelstromrauschens des Bildsensors und des Schrotrauschens des Hintergrundlichts klassifiziert ist, und wenn das Gesamtrauschen als N bezeichnet ist, das Ausleserauschen als N_r bezeichnet ist, das Dunkelstromrauschen als N_d bezeichnet ist und das Schrotrauschen als N_s bezeichnet ist und das Dunkelstrom-Rauschverhältnis durch b = N_d/N_r repräsentiert ist und das Schrotrauschverhältnis durch c = N_s/N_r repräsentiert ist, XR, B_m, B_h, B_s, k, α, b und c eine vorbestimmte Beziehung erfüllen.
Multikapillarelektrophoreseinstrument nach Anspruch 14, wobei XR ≤ 10^-3 und $\frac{9 + \sqrt{81 + 36 \cdot α^{2} \cdot (b^{2} + c^{2} + 1) \cdot (B_{m} \cdot b^{2} + c^{2})}}{2 \cdot α^{2} \cdot (b^{2} + c^{2} + 1)} \leq B_{s} \leq (9 - B_{m}) \cdot b^{2} + 8 \cdot c^{2} + 9$
erfüllt sind.
Multikapillarelektrophoreseinstrument nach Anspruch 15, wobei B_h = 1 und $\frac{9 \cdot (b^{2} + 1) + \sqrt{81 \cdot {(b^{2} + 1)}^{2} + 36 \cdot α^{2} \cdot (b^{2} + c^{2} + 1) \cdot c^{2}}}{2 \cdot α^{2} \cdot (b^{2} + c^{2} + 1)} \leq B_{s} \leq \frac{9 \cdot b^{2} + 8 \cdot c^{2} + 9}{b^{2} + 1}$
erfüllt sind.
Multikapillarelektrophoreseinstrument nach Anspruch 14, wobei XR ≤ 10^-3 und $\frac{100 + \sqrt{10000 + 400 \cdot α^{2} \cdot (b^{2} + c^{2} + 1) \cdot (B_{m} \cdot b^{2} + c^{2})}}{2 \cdot α^{2} \cdot (b^{2} + c^{2} + 1)} \leq B_{s} \leq \frac{(9 - 4 \cdot B_{m}) \cdot b^{2} + 5 \cdot c^{2} + 9}{4}$
erfüllt sind.
Multikapillarelektrophoreseinstrument nach Anspruch 17, wobei B_h = 1 und $\frac{100 \cdot (b^{2} + 1) + \sqrt{10000 \cdot {(b^{2} + 1)}^{2} + 400 \cdot α^{2} \cdot (b^{2} + c^{2} + 1) \cdot c^{2}}}{2 \cdot α^{2} \cdot (b^{2} + c^{2} + 1)} \leq B_{s} \leq \frac{9 \cdot b^{2} + 5 \cdot c^{2} + 9}{4 \cdot (b^{2} + 1)}$
erfüllt sind.
Multikapillarelektrophoreseinstrument, aufweisend: E Kapillaren, in die E (≥ 2) Probentypen, die Komponenten enthalten, die mit G (≥ 2) Fluorophortypen markiert sind, eingeleitet werden, welche gleichzeitig einer Elektrophorese unterzogen werden, eine Lichtquelle, die ausgelegt ist, Messzielabschnitte der E Kapillaren, die sich in derselben Ebene befinden, mit einem Laserstrahl zu bestrahlen, ein optisches System, das von den durch den Laserstrahl angeregten Fluorophoren emittierte Fluoreszenzen empfängt, wenn die Fluorophore durch die Messzielabschnitte hindurchtreten, und einen Computer, der ausgelegt ist, das Instrument zu steuern, wobei das optische System Folgendes aufweist: ein spektroskopisches Element, das ausgelegt ist, die von den E Kapillaren emittierten Fluoreszenzen in F (≥ 2, F ≥ G) Typen vorbestimmter Wellenlängenbänder zu dispergieren, und einen Bildsensor mit mehreren zweidimensional angeordneten Pixeln, der ausgelegt ist, E × F dispergierte Fluoreszenzen in verschiedenen Gebieten zu empfangen, wobei der Bildsensor ausgelegt ist, Folgendes auszuführen: Festlegen eines Bin-Gebiets zum Messen einer Lichtempfangsmenge in jedem der E × F Gebiete und Erfassen von Zeitreihendaten von E × F Fluoreszenzintensitäten durch kontinuierliches Messen der Lichtempfangsmengen in den E × F Bin-Gebieten bei einer vorbestimmten Belichtungszeit und einem vorbestimmten Zeitintervall, wobei in einem Fall, in dem in einem der E × F Bin-Gebiete die Anzahl der Pixel im Bin-Gebiet als B_m (≥ 1) bezeichnet ist, das Bin-Gebiet in B_s (≥ 1) Hardware-Binning-Gebiete unterteilt ist, die durchschnittliche Anzahl der Pixel der Hardware-Binning-Gebiete als B_h (≥ 1) bezeichnet ist, die Anzahl der Pixel des Software-Binnings im Bin-Gebiet als B_s bezeichnet ist, $B_{m} = B_{h} \times B_{s} ist,$
das Verhältnis zwischen dem Maximalwert der durch Ausführen eines Hardware-Binnings ausgelesenen Sättigungslichtmenge und der Sättigungslichtmenge pro Einzelpixel des Bildsensors als Sättigungslichtmengenverhältnis k (≥ 1) festgelegt ist, der Sättigungslichtmengenkoeffizient α auf α = 1 gesetzt ist, wenn B_h = 1 ist, auf α = B_h gesetzt ist, wenn 1 < B_h < k ist, und auf α = k gesetzt ist, wenn k ≤ B_h ist, und B_m = B_h = B_s = 1 ist, das Gesamtrauschen der Zeitreihendaten der Fluoreszenzintensität in drei Komponenten des Ausleserauschens des Bildsensors, des Dunkelstromrauschens des Bildsensors und des Schrotrauschens des Hintergrundlichts klassifiziert ist, und wenn das Gesamtrauschen als N bezeichnet ist, das Ausleserauschen als N_r bezeichnet ist, das Dunkelstromrauschen als N_d bezeichnet ist und das Schrotrauschen als N_s bezeichnet ist und das Dunkelstrom-Rauschverhältnis durch b = N_d/N_r repräsentiert ist und das Schrotrauschverhältnis durch c = N_s/N_r repräsentiert ist, mehrere Typen vorbestimmter Beziehungen, die durch B_m, B_h, B_s, k, α, b und c erfüllt werden, bereitgestellt werden und der Computer so ausgelegt ist, dass er in der Lage ist, eine gewünschte vorbestimmte Beziehung aus den mehreren Typen vorbestimmter Beziehungen auszuwählen.
Multikapillarelektrophoreseinstrument nach Anspruch 19, wobei der Computer eine Benutzerschnittstelle zur Auswahl der gewünschten vorbestimmten Beziehung bereitstellt.