JP2001074657A - 光計測方法および装置 - Google Patents
光計測方法および装置Info
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Abstract
なる検体以外から発生した蛍光の検出器への入射を低減
し、検体から発生する蛍光を高いS/N比で検出できる
ようにする。 【解決手段】 レーザ光源40から発生した励起光Le
の照射によって検体スポットKspから発生する蛍光K
eを、第1集光レンズ51により平行光束とし、この平
行光束の中央部の光束を中央光束遮光板60により遮光
し、平行光束の周辺部の光束のみを第2集光レンズ52
によりピンホールPhに集光し、このピンホールPhを
通過した蛍光を検出器70によって検出する。
Description
装置に関し、詳細には励起光の照射により、蛍光色素で
標識された検体等から発生する蛍光を検出する光計測方
法および装置に関するものである。
速に発展し、10万個にも及ぶと考えられているヒトゲ
ノムの塩基配列を解読することを1つの目的とするヒト
ゲノムプロジェクトが展開されている。
DNAに関する研究も進んでおり、その1つの方法とし
てマイクロアレイ技術が注目されている。
ている多数の異なるcDNA(特異的結合物質の一例)
を基板となるスライドガラス上の1.8×1.8(c
m)の範囲にドットサイズ50〜150(μm)のスポ
ットとして約6400個並べたマイクロアレイと称する
もの、またはcDNAをナイロンメンブレンフィルタ上
の8×12(cm)、7×5(cm)または22×22
(cm)の範囲にドットサイズ約0.5〜1(mm)の
スポットとしてそれぞれ588個、5000個、270
00個並べたマクロアレイと称するもの、あるいは合成
オリゴヌクレオチドをシリコン基板上の1.28×1.
28(cm)の範囲にドットサイズ50(μm)のスポ
ットとして約64000個並べたDNAチップと称する
もの等を用いた技術である(上記マイクロアレイ、マク
ロアレイおよびDNAチップ等を相称して本件では「D
NAアレイ」と称することとする。)。
の細胞から取り出したDNAの検体Aをピペット等でこ
のDNAアレイ上の各cDNAに滴下して、検体Aとc
DNAとをハイブリダイズさせる。このハイブリタイズ
の処理の後にDNAアレイは所定の溶液で処理され、c
DNAとハイブリタイズされなかった検体Aは各スポッ
トから除去され、cDNAとハイブリタイズされた検体
Aは各スポットに残される。そして、上記処理が施され
たDNAアレイ上の各検体のスポット(以後検体スポッ
トと呼ぶ)に、蛍光色素aを励起する励起光Laを相対
的に走査して、この励起光Laの照射により発生した蛍
光の検出結果を表す標識信号を得る。
れた遺伝子疾患を有する者の細胞から取り出したDNA
の検体Bに関しても行い、励起光Lbの照射により発生
した蛍光の検出結果を表す標識信号を得、各検体スポッ
ト毎に検体Aの各検体スポットから得られた標識信号と
検体Bの各検体スポットから得られた標識信号との比の
値を求める。
DNAが滴下された検体スポットほど大きくなる(ある
いは小さくなる)ことから、各検体スポットにおける標
識信号の比の値が大きい方から順に例えば50箇所分の
標識信号の比の値を、その信号が得られた検体スポット
と対応付ける表として読み取り、この表に基づいて異常
のあるDNAが特定される。
れる蛍光を検出する光学系には空間分解能が高く焦点深
度が浅い共焦点光学系が多く用いられているので、共焦
点光学系の焦点位置に一致させたDNAアレイ上の検体
スポットへの励起光の照射により検体スポットから発せ
られた蛍光を前記共焦点光学系の他方の焦点位置に配設
されたピンホールを通過させて検出することにより、上
記検体スポット以外の位置で発生した蛍光等のノイズを
除去することができる。
アレイ上の各検体スポットの厚さは1ミクロン以下と非
常に薄く、励起光が照射されると検体スポットのみなら
ず、検体スポットと密着してこの検体スポットを保持し
ている担体にも強い励起光が照射され、この励起光が照
射された担体を形成する成分からも蛍光が発生すること
がある。この、測定対象ではない担体から発生した蛍光
は、検体スポットから発生する蛍光の光路とほぼ等しい
光路を進むので、ピンホールによっても十分に除くこと
ができず、検出スポットから発生した蛍光と共に検出器
に入射し検出されてしまうことになる。
ットから発生した蛍光に、担体から発生した測定対象で
はない蛍光が混入し、多くのノイズを含む蛍光となり、
このノイズを多く含む蛍光が検出されると、各検体スポ
ットから発生する蛍光の強度を高い精度で検出すること
が困難になる。
に限らず、励起光が照射された検出対象となる被検物
(以下総称して検体という)の1点から発せられる蛍光
のみを測定対象とする他の光計測装置にも共通する課題
である。
のであり、測定対象となる検体以外から発生した蛍光の
検出器への入射を低減し、検出される蛍光のS/N比を
高めることにより、信頼性の高い計測結果を得ることが
できる光計測方法および装置を提供することを目的とす
るものである。
蛍光色素で標識された検体等に励起光を照射し、この励
起光の照射により検体等から発生した蛍光を平行光束と
し、この平行光束の中央部の光束を遮光または分散させ
て、平行光束の周辺部のみを直進させた後ピンホールに
集光し、ピンホールを通過した蛍光を検出することを特
徴とするものである。
れた検体等に励起光を照射する照射手段と、該励起光の
照射により前記検体から発生した蛍光を平行光束とする
第1の光学部材と、該平行光束の中央部の光束を遮光ま
たは分散させて、該平行光束の周辺部のみを直進させる
手段と、前記平行光束の周辺部を集光する第2の光学部
材と、該集光された前記光束の集光点に配設されたピン
ホールと、該ピンホールを通過した前記蛍光を検出する
検出器とを備えたことを特徴とするものである前記平行
光束の周辺部のみを直進させる手段は、平行光束の中央
部の強度を減衰させる遮光部材、分散させる凸レンズま
たは凹レンズ、あるいは光拡散板等の光学部材とするこ
とができ、さらにこれらの手段は、第2の光学部材と一
体化したり交換可能としたりすることができる。
ば、励起光の照射により、担体に付着させた検体スポッ
トから発生した蛍光を第1の光学部材により平行光束と
し、この平行光束の中央部の光束を屈折または分散させ
て平行光束の光路から除き、周辺部の光束のみを第2の
光学部材に入射させ集光させてピンホールを通過させる
ことにより蛍光を検出するので、検体スポットの前後に
配された担体等から発生する測定対象外の蛍光がノイズ
として検出される割合を少なくすることができる。
極めて小さければこのピンホールを通過することができ
る光束は、検体スポットから発光し、光軸に平行に進み
第2の光学部材の焦点位置に配されたピンホールに収束
する光だけであるからノイズはないが、実際のピンホー
ルには製作上の機械的誤差および組み立て上の位置決め
誤差等があるので、極端にピンホール径を小さくする
と、検体スポットから発生する測定対象となる蛍光もピ
ンホールによってカットされてしまう。ところが、ピン
ホールPhの前後に収束する光束の中で、担体から発生
する光は入射角度が浅い光束(光軸と成す角度が小さい
光束)なので、第1と第2の光学部材との間に光束の中
央部を遮光する手段を配設すれば、主に上記入射角度が
浅い光を遮光できるので、検体スポットから発生しピン
ホールPhを通過する蛍光の強度の減少に比して、担体
から発生しピンホールPhを通過する、入射角度が浅
い、測定対象外の蛍光の強度が大きく減少し、検出され
る蛍光の強度に占める検体スポットから発生する蛍光の
割合が相対的に大きくなる。従って、本来の測定対象で
ある検体スポットから発生する蛍光を高S/N比で検出
することができる。
する光計測装置を適用したDNAアレイ読取装置の具体
的な実施の形態について図を参照して説明する。
アレイ読取装置を示す斜視図、図2は図1に示したDN
Aアレイ読取装置による読取対象となるDNAアレイ試
験片10の斜視図、図3は図2のI−I位置における断
面図である。
スからなる坦体11の表面Baに、複数の既知のcDN
A(特異的結合物質の一例)と蛍光色素で標識されたD
NAとをハイブリタイズさせ、所定の溶液で処理された
検体スポット(以下検体スポットKspと呼ぶ)をマト
リクス状に配置したものであり、坦体11の厚さは1m
m程度であり、坦体11上に配置される検体スポットK
spの厚さは1μm以下、スポット径は30〜100μ
m、各スポットの間隔は300μm程度となっている。
すようにレーザ光源40から発せられた励起光Leをダ
イクロイックミラー54により反射させてDNAアレイ
試験片10に配された検体スポットに第1集光レンズ5
1を通して照射し、該励起光の照射により検体スポット
から発生した蛍光Keを、共焦点光学系を形成する第1
集光レンズ51および第2集光レンズ52を介して検出
器70に入射させ検出する構成となっている。
た共焦点光学系の光軸上には第1集光レンズ51、ダイ
クロイックミラー54、中央部に光を遮光する領域を備
えた中央光束遮光板60、第2集光レンズ52、ピンホ
ール板53およびフォトマルチプライヤからなる検出器
70がこの順に配設され、第2集光レンズ52側の焦点
にはピンホール板53のピンホールPhが、また第1集
光レンズ51側の焦点にはDNAアレイ試験片10上の
検体スポットKspが一致するように配置されており、
さらにピンホールPhを通過した蛍光を受光する位置に
検出器70が配置されている。
の平面図、および図4(b)の側面図に示されるように
平板ガラス61の中央部に黒アルマイト処理をした円盤
62を接着したものであり、第1集光レンズ51と第2
集光レンズ52との間に配設され、第1集光レンズ51
から第2集光レンズ52に向う光束の中央部を遮光し周
辺部の光束のみを通過させる。また、上記ダイクロイッ
クミラー54は検体から発せられる蛍光Keを透過させ
励起光Leを反射させる波長特性を備えている。
の励起光Leを平行光束として射出するレーザ光源40
は、この射出された平行光束が、ダイクロイックミラー
54によって検体スポット側に反射され共焦点光学系の
光軸に同軸となるように配設されている。
ージ30には、ステージ30をX−Yの方向(図1参
照)に2次元状に可動させるステッピングモータ21、
22が配設され、これらのステッピングモータ21、2
2には共焦点光学系を形成する第1集光レンズ51側の
焦点に検体スポットKspを順次移送するように各所定
の位置を入力する座標コントローラ80が接続されてい
る。
および第2のステッピングモータ21,22に対して入
力される所定の位置とは、DNAアレイ試験片10にお
けるマトリクス状の全ての検体スポットKspの位置を
意味する。
説明する。まず始めにDNAアレイ試験片10が、ステ
ージ30上の決められた位置に載置される。このとき、
DNAアレイ試験片10上の検体スポットの各位置を、
ステージ30上のX軸方向およびY軸方向の座標に対応
付けるように各検体スポットの位置の座標を座標コント
ローラ80に記憶させる。各ステッピングモータ21,
22は、座標コントローラ80に記憶された座標に基づ
いて、DNAアレイ試験片10上の最初の検体スポット
Ksp(1,1)の位置に励起光Leが照射されるよう
に、ステージ30をX−Y平面内に移動させ位置決めす
る。
励起光Leがレーザ光源40から射出され、ダイクロイ
ックミラー54により反射され第1集光レンズ51によ
って検体スポットKsp(1,1)上に集光され、励起
光Leが照射された検体スポットKsp(1,1)から
発生した蛍光Keは、第1集光レンズ51によって平行
光束とされダイクロイックミラー54を透過する(この
とき蛍光Keに混入する励起光Leはダイクロイックミ
ラー54によって反射され検出器に向かう光路から除去
される)。ダイクロイックミラー54を透過した平行光
束は中央光束遮光板60によって中央部の光束が遮光さ
れ周辺部の光束のみが第2集光レンズ52によって集光
されピンホールPhを通過して検出器70に入射し、検
出器70によってその強度が検出され外部の処理装置2
00に出力される。
ーラ80から出力された検体スポットKsp(1,1)
の位置と検出器70から出力された蛍光の強度値とが入
力され対応づけられて記憶される。
細を説明する。図5(a)〜(c)に示すようにDNA
アレイ読取装置の光学系を簡略化し、共焦点光学系90
を第1集光レンズ91と第2集光レンズ92によって形
成する。この共焦点光学系の光軸をZ軸とし、第1集光
レンズ91側の焦点位置をZpおよび第2集光レンズ9
2側の焦点位置をZqとしてピンホールPh1をZqの
位置に一致させるようにピンホール板93を配設する。
を配置すると、点光源Tgから発せられる光Liは第1
集光レンズ91によって平行光束とされ、この平行光束
は集光N1レンズによってピンホールPh1に集光され
てピンホールPh1を通過する。
置から−の方向のに移動し図5(a)に示すようにZp
-1の位置に移動すると、点光源Tgから発せられた光L
iは集光M1レンズによって平行光束とはならずに収束
する光束となり第2集光レンズ92によってピンホール
Ph1のZ軸方向マイナス側の点Zq-1に集光されピン
ホールPh1を通過する。このとき点Zq-1に集光され
る光Liの中で入射角度が浅い光束(光軸と成す角度が
小さい光束)のみが選択的にピンホールPh1を通過す
るので、点Zp-1から発生し第1集光レンズ91および
第2集光レンズ92を経由してピンホールPh1通過す
る光束の径は細くなり、開口角も小さくなる。
pの位置から+の方向に移動し、図5(c)に示すよう
にZp+1の位置に移動すると、点光源Tgから発せられ
た光Liは集光M1レンズによって発散する光束となり
集光N1レンズによってピンホールPh1のZ軸方向プ
ラス側の点Zq+1に集光される。このとき上記と同様に
点Zq+1に集光される光Liの中で入射角度が浅い光束
(光軸と成す角度が小さい光束)のみが選択的にピンホ
ールPh1を通過するので、点Zp+1から発生し第1集
光レンズ91および第2集光レンズ92を経由してピン
ホールPh1を通過する光束の径は細くなり、開口角も
小さくなる。
を通過する光Liの強度との関係は、図5(d)の曲線
KR(z)に示すような深度応答曲線となり、点光源T
gの位置がZoから離れるに従いその強度が減少し、点
光源Tgの位置をZ軸のマイナスの方向に移動させた場
合の方がプラス方向に移動させた場合に比してピンホー
ルに入射する光量がより大きく減少する。
上記共焦点光学系90の第1集光レンズ91と第2集光
レンズ92との間に中央光束遮光板95を配設すると、
中央部の光束は遮光され周辺部の光束のみがピンホール
を通過するようになる。従って、点光源TgがZp、Z
p+1、Zp-1のどの位置にあっても中央光束遮光板95
が配設されていない場合より検出される蛍光の強度値が
減少するが、その減少の割合は点光源Tgの位置によっ
て異なり、図6(d)の深度応答曲線KS(z)に示す
ように点光源Tgの位置をZ軸のマイナスの方向に移動
させた場合の方がプラス方向に移動させた場合に比して
ピンホールに入射する光量がより極端に減少する。
する測定対象となる蛍光vと、Zp以外の位置から発生
するノイズとなる蛍光wとが同時に発生するような場合
には、ピンホールPh1を通過する全強度(蛍光vの強
度+蛍光wの強度)に含まれる測定対象となる蛍光vの
強度の割合は、中央光束遮光板95が配設された場合の
方が大きくなり、測定対象となる蛍光vをより高いS/
N比で検出することができる。特に焦点位置ZpのZ軸
方向マイナス側から発生するノイズとなる蛍光Wを遮断
する効果は極めて高い。
させて説明する。図8に示すように、レーザ光源40か
ら射出された励起光Leはダイクロイックミラー54に
よって反射され第1集光レンズ51によって担体11に
保持された検体スポットKspに集光されるが、一部の
励起光Leは検体スポットKspを透過して担体の内部
も照射する。励起光Leが照射された検体スポットKs
p近傍の担体、例えば点Pからは測定対象ではないノイ
ズとなる蛍光w(以後、担体蛍光wと呼ぶ)が発生し、
検体スポットKspから発生した測定対象となる蛍光v
(以後、検体蛍光vと呼ぶ)と共に第1集光レンズ51
によって概略平行光束とされダイクロイックミラー54
を透過する。ダイクロイックミラー54を透過した検体
蛍光vと担体蛍光wは第2集光レンズ52によって集光
されピンホールPhを通過し検出器70によってその強
度が検出される。このときノイズとなる担体蛍光wの光
量の多くはピンホール板53によって検出器70への入
射が阻止されるが光軸Z上の検体スポットKspの後方
に位置する担体から発生し光軸に沿った光路を進む担体
蛍光wはピンホールPhを通過しノイズとして検出され
る。ここで、中央光束遮光板60を第1集光レンズ51
と第2集光レンズ52の間に挿入すると、前記のように
ノイズとなる担体蛍光wの強度を測定対象である検体蛍
光vの強度より大きな割合で減少させることができるの
で検出器70で検出される蛍光の強度に含まれるノイズ
の割合は減少する。
ける計測が終了すると、座標コントローラ80から次の
計測位置がステッピングモータ21,22に入力され、
検体スポットKsp(2,1)に励起光Leが照射され
るようにDNAアレイ試験片10は移動される。そして
この検体スポットKsp(2,1)に励起光Leが照射
され、最初の検体スポットKsp(1,1)を計測した
ときと同様の計測が行われ、その結果は前記と同様に外
部の処理装置200に記憶される。なお、上記計測にお
いては各検体スポットKspから発生する蛍光の相対的
な強度を検出すればよいので、検出される蛍光の強度の
絶対値が中央光束遮光板の挿入によって減少しても計測
精度を劣化させることはない。
アレイ試験片10上の全ての検体スポットKspを計測
し、処理装置200にこれらの全ての検体スポットKs
pの位置と検体スポットから発生した蛍光の強度の値と
が対応付けられて記憶される。さらに蛍光色素bで標識
されたDNAの検体BとcDNAとをハイブリダイズさ
せ所定の溶液で処理されたDNAアレイ試験片に関して
も同様の計測が行われ、これらの対応関係に基づいて、
周知のようにDNA発現解析等が行われる。
域は、光が完全に遮光されなくても透過光量を減衰させ
る領域であればよく、金属薄膜を蒸着したもの、あるい
は光を拡散するように粗面加工したもの等であってもよ
い。また、その構造は、例えば図9(a)に示すように
リング63の中央部の遮光板62を3本の支柱64で支
持する等の構造であってもよい。
(b)、(c)に示すように平板ガラス61の中央に凸
部もしくは凹部を設け、ピンホールPhに向う光を途中
で屈折させ、分散させて光路から除外する遮光領域を備
えた光学部材とすることもできる。
設することにより、中央部の遮光領域の大きさを変える
等、各計測内容に適した検出形態を整えることによりさ
らにS/N比の高い検出を行うことができる。
ンズ52の中央部に凸部を設ける等、前記の遮光手段を
第2集光レンズ52の中央部に一体に形成することによ
り上記と同等の効果を得ることができる。
び装置によれば、測定対象となる検体以外から発生した
蛍光の検出器への入射を低減し、検出される蛍光のS/
N比を高めることにより、信頼性の高い計測結果を得る
ことができる。
示す図
イ試験片を示す図
射する蛍光の光路を説明する図
射する蛍光の強度を減衰させる効果を説明する図
の混入割合の差を説明する図
せる説明図
Claims (6)
- 【請求項1】 蛍光色素で標識された検体に励起光を照
射し、該励起光の照射により前記検体から発生した蛍光
を平行光束とし、該平行光束の中央部の光束を遮光また
は分散させて、該平行光束の周辺部のみを直進させた後
ピンホールに集光し、該ピンホールを通過した前記蛍光
を検出することを特徴とする光計測方法。 - 【請求項2】 蛍光色素で標識された検体等に励起光を
照射する照射手段と、該励起光の照射により前記検体か
ら発生した蛍光を平行光束とする第1の光学部材と、該
平行光束の中央部の光束を遮光または分散させて、該平
行光束の周辺部のみを直進させる手段と、前記平行光束
の周辺部を集光する第2の光学部材と、該集光された前
記光束の集光点に配設されたピンホールと、該ピンホー
ルを通過した前記蛍光を検出する検出器とを備えたこと
を特徴とする光計測装置。 - 【請求項3】 前記平行光束の周辺部のみを直進させる
手段が、前記平行光束の中央部の光束を減衰させる遮光
部材であることを特徴とする請求項2記載の光計測装
置。 - 【請求項4】 前記平行光束の周辺部のみを直進させる
手段が、前記平行光束の中央部の光束を分散させる光学
部材であることを特徴とする請求項2または3記載の光
計測装置。 - 【請求項5】 前記平行光束の周辺部のみを直進させる
手段が、前記第2の光学部材と一体になっているもので
あることを特徴とする請求項2から4のいずれか1項記
載の光計測装置。 - 【請求項6】 前記平行光束の周辺部のみを直進させる
手段が、交換可能であることを特徴とする請求項2から
5のいずれか1項記載の光計測装置。
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JP25529699A JP3850181B2 (ja) | 1999-09-09 | 1999-09-09 | 光計測方法および装置 |
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