JP2001242081A - Ｄｎａチップ読み取りヘッド及びｄｎａチップ読み取り装置 - Google Patents
Ｄｎａチップ読み取りヘッド及びｄｎａチップ読み取り装置Info
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- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
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- G01N21/645—Specially adapted constructive features of fluorimeters
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Abstract
(57)【要約】
【課題】極めて小型軽量化されたＤＮＡチップ読み取り
ヘッドと、これを搭載した装置全体が小型化されたＤＮ
Ａチップ読み取り装置を提供する。 【解決手段】本発明のＤＮＡチップ読み取り装置は、半
導体レーザと、前記半導体レーザ光源からのレーザ光を
ＤＮＡチップに照射し該ＤＮＡチップで発生する蛍光を
集光するための非球面対物レンズと、前記非球面対物レ
ンズを透過した前記蛍光を受光素子に導く非球面結像レ
ンズと、前記光源からのレーザ光についてはハーフミラ
ーとなって該レーザ光を前記非球面対物レンズに導き、
前記蛍光は透過させて前記非球面結像レンズに導くダイ
クロイックミラーと、前記非球面結像レンズと前記受光
素子の間に配置するアパーチャとが一つの筐体に配置さ
れる。
ヘッドと、これを搭載した装置全体が小型化されたＤＮ
Ａチップ読み取り装置を提供する。 【解決手段】本発明のＤＮＡチップ読み取り装置は、半
導体レーザと、前記半導体レーザ光源からのレーザ光を
ＤＮＡチップに照射し該ＤＮＡチップで発生する蛍光を
集光するための非球面対物レンズと、前記非球面対物レ
ンズを透過した前記蛍光を受光素子に導く非球面結像レ
ンズと、前記光源からのレーザ光についてはハーフミラ
ーとなって該レーザ光を前記非球面対物レンズに導き、
前記蛍光は透過させて前記非球面結像レンズに導くダイ
クロイックミラーと、前記非球面結像レンズと前記受光
素子の間に配置するアパーチャとが一つの筐体に配置さ
れる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、遺伝子構成要素間
の相補的相互作用を利用して、遺伝子構成要素の構造を
特定するＤＮＡチップの読み取り装置に関する。
の相補的相互作用を利用して、遺伝子構成要素の構造を
特定するＤＮＡチップの読み取り装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、医療分野における病原の特定や疾
病の治療、農業分野での遺伝子組み替えによる種の改良
等非常に幅広い分野で生物のゲノムの利用が行われるよ
うになってきている。このようなゲノムの利用に際して
は、対象生物における遺伝子レベルの構造解明が不可欠
である。
病の治療、農業分野での遺伝子組み替えによる種の改良
等非常に幅広い分野で生物のゲノムの利用が行われるよ
うになってきている。このようなゲノムの利用に際して
は、対象生物における遺伝子レベルの構造解明が不可欠
である。
【０００３】そのよう遺伝子レベルでの検体の構造、す
なわち遺伝子内の注目部位のヌクレオチド配列を特定す
るために、ＤＮＡチップおよびその読み取り装置が開発
され、実用に供されている。このような装置では検体の
ヌクレオチド配列は次のようにして同定される。
なわち遺伝子内の注目部位のヌクレオチド配列を特定す
るために、ＤＮＡチップおよびその読み取り装置が開発
され、実用に供されている。このような装置では検体の
ヌクレオチド配列は次のようにして同定される。
【０００４】まず、多数の種類のＤＮＡプローブが定め
られた位置に配置されたＤＮＡチップを準備する。ＤＮ
Ａプローブは所望のヌクレオチド配列を有する構造体で
あり、代表的なものにオリゴヌクレオチドがある。
られた位置に配置されたＤＮＡチップを準備する。ＤＮ
Ａプローブは所望のヌクレオチド配列を有する構造体で
あり、代表的なものにオリゴヌクレオチドがある。
【０００５】また、検体を作成する。即ち、検査対象物
からＤＮＡやＲＮＡを抽出し、これに蛍光物質などを結
合させるマーキング処理を施す。
からＤＮＡやＲＮＡを抽出し、これに蛍光物質などを結
合させるマーキング処理を施す。
【０００６】次に、ＤＮＡチップに検体を添加する。各
ＤＮＡプローブのヌクレオチド配列は、４種の塩基（ア
デニン：Ａ、グアニン：Ｇ、シトシン：Ｃ、チミン：
Ｔ）を所望の順序で配列したものである。これらの塩基
は相補関係があり、ヌクレオチドはアデニンとチミン、
シトシンとグアニンがそれぞれ相補的に結合する。ＤＮ
Ａチップに検体を添加すると、検体中の塩基とチップ上
の塩基間に水素結合による部分二重鎖が生じる。この水
素結合による二重鎖の形成は、ハイブリダイゼーション
と呼ばれる。
ＤＮＡプローブのヌクレオチド配列は、４種の塩基（ア
デニン：Ａ、グアニン：Ｇ、シトシン：Ｃ、チミン：
Ｔ）を所望の順序で配列したものである。これらの塩基
は相補関係があり、ヌクレオチドはアデニンとチミン、
シトシンとグアニンがそれぞれ相補的に結合する。ＤＮ
Ａチップに検体を添加すると、検体中の塩基とチップ上
の塩基間に水素結合による部分二重鎖が生じる。この水
素結合による二重鎖の形成は、ハイブリダイゼーション
と呼ばれる。
【０００７】例えば、ＡＧＣＴＴと言うヌクレオチド配
列を有するＤＮＡプローブは、ＴＣＧＡＡと言うヌクレ
オチド配列を有する検体を選択的に捕獲する。検体は、
上記のようにマーキング処理がなされている。このた
め、検体を捕獲したＤＮＡプローブは蛍光を発すること
になる。一般に、この処理は液相で行われる。
列を有するＤＮＡプローブは、ＴＣＧＡＡと言うヌクレ
オチド配列を有する検体を選択的に捕獲する。検体は、
上記のようにマーキング処理がなされている。このた
め、検体を捕獲したＤＮＡプローブは蛍光を発すること
になる。一般に、この処理は液相で行われる。
【０００８】上記の処理を施したあと、ＤＮＡチップ
は、蛍光の強度と位置を計測するＤＮＡ読み取り装置に
て解析される。これによって、検体に含まれるヌクレオ
チド配列が同定されるのである。
は、蛍光の強度と位置を計測するＤＮＡ読み取り装置に
て解析される。これによって、検体に含まれるヌクレオ
チド配列が同定されるのである。
【０００９】ＤＮＡチップは、板状の基板に所定の塩基
配列を有するＤＮＡプローブを適切な間隔でスポット状
に固定化している。一つのスポットの径は、２０〜２０
０μm程度であり、一つのスポット内には、同じ種類の
ＤＮＡプローブが数百万本程度固定化されている。固定
化されるＤＮＡプローブの塩基の長さは２０個程度であ
る。一つのＤＮＡチップ内には、このようなスポットが
５０μm〜５００μmの間隔でマトリクス状に配列してい
る。各スポットに固定化されたＤＮＡプローブは、互い
に異なるヌクレオチド配列を有している。
配列を有するＤＮＡプローブを適切な間隔でスポット状
に固定化している。一つのスポットの径は、２０〜２０
０μm程度であり、一つのスポット内には、同じ種類の
ＤＮＡプローブが数百万本程度固定化されている。固定
化されるＤＮＡプローブの塩基の長さは２０個程度であ
る。一つのＤＮＡチップ内には、このようなスポットが
５０μm〜５００μmの間隔でマトリクス状に配列してい
る。各スポットに固定化されたＤＮＡプローブは、互い
に異なるヌクレオチド配列を有している。
【００１０】ＤＮＡチップの基板としては、ガラス基
板、Ｓｉ基板、プラスチック基板が用いられている。こ
れらのうちもっとも広く用いられているのは、顕微鏡用
のスライドガラスを基板に用いるものであり、その大き
さは７５mm×２５mm、厚さは１mm程度である。
板、Ｓｉ基板、プラスチック基板が用いられている。こ
れらのうちもっとも広く用いられているのは、顕微鏡用
のスライドガラスを基板に用いるものであり、その大き
さは７５mm×２５mm、厚さは１mm程度である。
【００１１】基板上にＤＮＡプローブを固定化する方法
としては、フォトリソグラフィー技術で代表される基板
上で一層ずつＤＮＡプローブを合成しながら固定化する
方法と、メカニカルマイクロスポッティグ技術に代表さ
れる予め別途合成しておいたＤＮＡプローブを基板上に
固定化する方法がある。その他、いずれの方法にも適用
されるインクジェット技術もある。
としては、フォトリソグラフィー技術で代表される基板
上で一層ずつＤＮＡプローブを合成しながら固定化する
方法と、メカニカルマイクロスポッティグ技術に代表さ
れる予め別途合成しておいたＤＮＡプローブを基板上に
固定化する方法がある。その他、いずれの方法にも適用
されるインクジェット技術もある。
【００１２】フォトリソグラフィ技術は、光反応性保護
基を利用する技術である。この保護基は、各塩基モノマ
ーと同種あるいは、別種の塩基モノマーとの結合を阻害
する働きがあり、この保護基が結合している塩基末端に
は、新たな塩基の結合反応は生じない。また、この保護
基は、光照射によって容易に除去することができる。フ
ォトリソグラフィー技術を使用してＤＮＡチップを製造
する工程は、以下のようになる。
基を利用する技術である。この保護基は、各塩基モノマ
ーと同種あるいは、別種の塩基モノマーとの結合を阻害
する働きがあり、この保護基が結合している塩基末端に
は、新たな塩基の結合反応は生じない。また、この保護
基は、光照射によって容易に除去することができる。フ
ォトリソグラフィー技術を使用してＤＮＡチップを製造
する工程は、以下のようになる。
【００１３】まず、基板全面にこの保護基を有するアミ
ノ基を固定化しておく。次に、所望の塩基を結合させた
いスポットにのみ、通常の半導体プロセスで使用される
フォトリソグラフィー技術と同様の方法を使って、選択
的に光照射を行う。これにより、光の照射された部分の
塩基のみ、後続の結合によって次の塩基を導入できる。
ここに、同じ保護基を末端に有する所望の塩基を結合さ
せる。
ノ基を固定化しておく。次に、所望の塩基を結合させた
いスポットにのみ、通常の半導体プロセスで使用される
フォトリソグラフィー技術と同様の方法を使って、選択
的に光照射を行う。これにより、光の照射された部分の
塩基のみ、後続の結合によって次の塩基を導入できる。
ここに、同じ保護基を末端に有する所望の塩基を結合さ
せる。
【００１４】次に、フォトマスクの形状を変更して、別
のスポットに選択的に光照射を行う。以下、同様にして
保護基を有する塩基を結合させる。これをスポット毎に
所望の塩基配列が得られる迄繰返すことによって所望の
ＤＮＡチップが完成する。詳細は、Sience,２５１号、
７６７頁(１９９１年)を参照されたい。
のスポットに選択的に光照射を行う。以下、同様にして
保護基を有する塩基を結合させる。これをスポット毎に
所望の塩基配列が得られる迄繰返すことによって所望の
ＤＮＡチップが完成する。詳細は、Sience,２５１号、
７６７頁(１９９１年)を参照されたい。
【００１５】ＤＮＡチップ製造に使用されるインクジェ
ット技術は、熱、圧電効果を利用し非常に小さい液滴を
2次元平面の所定の位置に射出する技術であり、圧電素
子をガラスキャピラリーと組み合わせて使用する。液体
チャンバーに接続された圧電素子に電圧を加えることに
より、圧電素子の体積の変化によってチャンバー内の液
体が、チャンバーに接続された、キャピラリーから液滴
となって射出される。射出される液滴の大きさは、キャ
ピラリーの径、圧電素子の体積変化量、液体の物理的性
質によって決定されるが、一般には、直径が３０μm程
度である。このようなインクジェット装置では、液滴を
１０KHz程度の周期で射出することが可能となる。
ット技術は、熱、圧電効果を利用し非常に小さい液滴を
2次元平面の所定の位置に射出する技術であり、圧電素
子をガラスキャピラリーと組み合わせて使用する。液体
チャンバーに接続された圧電素子に電圧を加えることに
より、圧電素子の体積の変化によってチャンバー内の液
体が、チャンバーに接続された、キャピラリーから液滴
となって射出される。射出される液滴の大きさは、キャ
ピラリーの径、圧電素子の体積変化量、液体の物理的性
質によって決定されるが、一般には、直径が３０μm程
度である。このようなインクジェット装置では、液滴を
１０KHz程度の周期で射出することが可能となる。
【００１６】メカニカルマイクロスポッティング技術
は、ステンレス製のピンの先端についたＤＮＡプローブ
を含む液体を機械的に基板上に押し付けて固定化してい
く技術である。この方法で得られるスポットは、５０〜
３００μm程度になる。マイクロスポッティング後に
は、ＵＶ光による固定化等の後処理が行われる。
は、ステンレス製のピンの先端についたＤＮＡプローブ
を含む液体を機械的に基板上に押し付けて固定化してい
く技術である。この方法で得られるスポットは、５０〜
３００μm程度になる。マイクロスポッティング後に
は、ＵＶ光による固定化等の後処理が行われる。
【００１７】検体を添加処理されたＤＮＡチップは、ア
レイリーダーと呼ばれるＤＮＡ読み取り装置で解析す
る。アレイリーダーは、照射光をＤＮＡチップに照射
し、この光によって生ずる蛍光強度を測定し各スポット
の座標と対応させて表示する。アレイリーダーは、照射
光の光源、光学系、蛍光強度計測センサ等が一体となっ
た読み取りヘッド部と、ＤＮＡチップを走査する走査部
と、制御信号を出力して蛍光強度をＤＮＡプローブの座
標と対応させて記憶する制御部かならる。
レイリーダーと呼ばれるＤＮＡ読み取り装置で解析す
る。アレイリーダーは、照射光をＤＮＡチップに照射
し、この光によって生ずる蛍光強度を測定し各スポット
の座標と対応させて表示する。アレイリーダーは、照射
光の光源、光学系、蛍光強度計測センサ等が一体となっ
た読み取りヘッド部と、ＤＮＡチップを走査する走査部
と、制御信号を出力して蛍光強度をＤＮＡプローブの座
標と対応させて記憶する制御部かならる。
【００１８】一般に、発生する蛍光は照射光に較べて強
度が数桁小さい。このため、ダイクロイックミラーを用
いた波長による分離や、励起光と蛍光を空間的に分離す
るビームスプリッタが使用される。蛍光強度の測定は、
強度の校正が不要なことから２波長以上の強度を計測す
ることがある。これらの構成も読み取りヘッド部に挿入
される。
度が数桁小さい。このため、ダイクロイックミラーを用
いた波長による分離や、励起光と蛍光を空間的に分離す
るビームスプリッタが使用される。蛍光強度の測定は、
強度の校正が不要なことから２波長以上の強度を計測す
ることがある。これらの構成も読み取りヘッド部に挿入
される。
【００１９】アレイリーダーの方式には、大きくわけて
二種類あり、ＣＣＤカメラを使用して同時に複数スポッ
トの蛍光強度を測定する方式と、コンフォーカルレーザ
ー顕微鏡を使用してＤＮＡチップ上を２次元走査して測
定する方式である。
二種類あり、ＣＣＤカメラを使用して同時に複数スポッ
トの蛍光強度を測定する方式と、コンフォーカルレーザ
ー顕微鏡を使用してＤＮＡチップ上を２次元走査して測
定する方式である。
【００２０】ＣＣＤカメラを用いたアレイリーダーは、
ＤＮＡチップを照射する光源にランプを使用し、広い面
積に光を照らすことが可能である。このため、一度に広
い面積で蛍光を生じさせることができ、約１平方cm程度
の広い領域を１度に測定できると言う特徴がある。この
ため、コンフォーカルレーザーを用いたアレイリーダー
に比較してスループットが高い。
ＤＮＡチップを照射する光源にランプを使用し、広い面
積に光を照らすことが可能である。このため、一度に広
い面積で蛍光を生じさせることができ、約１平方cm程度
の広い領域を１度に測定できると言う特徴がある。この
ため、コンフォーカルレーザーを用いたアレイリーダー
に比較してスループットが高い。
【００２１】一方、コンフォーカルレーザー顕微鏡を用
いたアレイリーダーは、光源にレーザーを使用し、集光
したレーザースポットの内部のＤＮＡチップ部のみを照
らして蛍光を生じさせる。このため、コンフォーカルレ
ーザー顕微鏡を使用する方式では、１度に直径５〜３０
μm程度の径の領域しか測定できない。従って、ＣＣＤ
を用いたアレイリーダーに比べてスループットが低い。
典型的な走査時間は、２０×６０mmの領域を１０μmの
解像度でスキャンした場合で５〜１５分程度必要であ
る。
いたアレイリーダーは、光源にレーザーを使用し、集光
したレーザースポットの内部のＤＮＡチップ部のみを照
らして蛍光を生じさせる。このため、コンフォーカルレ
ーザー顕微鏡を使用する方式では、１度に直径５〜３０
μm程度の径の領域しか測定できない。従って、ＣＣＤ
を用いたアレイリーダーに比べてスループットが低い。
典型的な走査時間は、２０×６０mmの領域を１０μmの
解像度でスキャンした場合で５〜１５分程度必要であ
る。
【００２２】しかし、一方、このコンフォーカルレーザ
ー顕微鏡を使用したアレイリーダーは、いわゆるコンフ
ォーカルセクショニングによって、ＤＮＡチップの深さ
方向のコンタミによるノイズ光やフレアを取り除くこと
ができるので、ＣＣＤ方式に比較して高いＳ／Ｎ比が得
られることが特徴である。
ー顕微鏡を使用したアレイリーダーは、いわゆるコンフ
ォーカルセクショニングによって、ＤＮＡチップの深さ
方向のコンタミによるノイズ光やフレアを取り除くこと
ができるので、ＣＣＤ方式に比較して高いＳ／Ｎ比が得
られることが特徴である。
【００２３】いずれの方式によっても、測定されたＤＮ
Ａチップ上の蛍光強度分布は１６ビット程度の強度の分
解能を有する２次元の画像データとして出力される。こ
の際、画像判定を容易にするために、擬似色付け処理が
行われる場合もある。出力された画像内で蛍光強度が大
きいスポットは、検体中に該スポットのＤＮＡプローブ
の配列と相補的なヌクレオチド配列が含まれていること
を示している。このようにして、どのスポットの蛍光強
度が大きいかによって検体のヌクレオチド配列を知るこ
とができる。
Ａチップ上の蛍光強度分布は１６ビット程度の強度の分
解能を有する２次元の画像データとして出力される。こ
の際、画像判定を容易にするために、擬似色付け処理が
行われる場合もある。出力された画像内で蛍光強度が大
きいスポットは、検体中に該スポットのＤＮＡプローブ
の配列と相補的なヌクレオチド配列が含まれていること
を示している。このようにして、どのスポットの蛍光強
度が大きいかによって検体のヌクレオチド配列を知るこ
とができる。
【００２４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来のＤＮＡ読み取りヘッドは、その容積と重量
が大きくなるという問題点があった。また、これを使用
するＤＮＡ読み取り装置は、読み取りヘッド部をＤＮＡ
チップの上部に配置させる。このため、これを固定する
ための支持柱等を頑強にせねばならず、装置全体が大型
化し、また、製造コストが増大するという問題もあっ
た。
ような従来のＤＮＡ読み取りヘッドは、その容積と重量
が大きくなるという問題点があった。また、これを使用
するＤＮＡ読み取り装置は、読み取りヘッド部をＤＮＡ
チップの上部に配置させる。このため、これを固定する
ための支持柱等を頑強にせねばならず、装置全体が大型
化し、また、製造コストが増大するという問題もあっ
た。
【００２５】本発明は、このような問題点を鑑みてなさ
れたものであり、容量と重量が極めて低減されたＤＮＡ
チップ読み取りヘッド、及び、ＤＮＡチップ読み取り装
置を提供する。
れたものであり、容量と重量が極めて低減されたＤＮＡ
チップ読み取りヘッド、及び、ＤＮＡチップ読み取り装
置を提供する。
【００２６】
【課題を解決するための手段】本発明者は、鋭意研究の
結果、光ディスク装置などにおいて既に使用されている
光ピックアップヘッドを基礎として、これを改良すれ
ば、極めて小型軽量化されたＤＮＡチップ読み取りヘッ
ドを製造できることを突き止め発明に至った。
結果、光ディスク装置などにおいて既に使用されている
光ピックアップヘッドを基礎として、これを改良すれ
ば、極めて小型軽量化されたＤＮＡチップ読み取りヘッ
ドを製造できることを突き止め発明に至った。
【００２７】即ち、請求項１に記載のＤＮＡチップ読み
取りヘッドは、半導体レーザ光源と、前記半導体レーザ
光源からのレーザ光をＤＮＡチップに照射し、該ＤＮＡ
チップで発生する蛍光を集光するための対物レンズと、
前記対物レンズを透過した前記蛍光を受光素子に導く結
像レンズと、前記光源からのレーザ光についてはハーフ
ミラーとなって該レーザ光を前記対物レンズに導き、前
記蛍光は透過させて前記結像レンズに導くダイクロイッ
クミラーと、及び、前記結像レンズと前記受光素子の間
に配置するアパーチャとを有し、これらが一つの筐体に
配置され、且つ、前記対物レンズと前記結像レンズのう
ち少なくとも一方は非球面レンズであることを特徴とす
る。
取りヘッドは、半導体レーザ光源と、前記半導体レーザ
光源からのレーザ光をＤＮＡチップに照射し、該ＤＮＡ
チップで発生する蛍光を集光するための対物レンズと、
前記対物レンズを透過した前記蛍光を受光素子に導く結
像レンズと、前記光源からのレーザ光についてはハーフ
ミラーとなって該レーザ光を前記対物レンズに導き、前
記蛍光は透過させて前記結像レンズに導くダイクロイッ
クミラーと、及び、前記結像レンズと前記受光素子の間
に配置するアパーチャとを有し、これらが一つの筐体に
配置され、且つ、前記対物レンズと前記結像レンズのう
ち少なくとも一方は非球面レンズであることを特徴とす
る。
【００２８】対物レンズと結像レンズのうち、少なくと
も一方を非球面レンズとしたことによって、光学系を極
めて小さく軽量にすることが可能となる。これは、光ピ
ックアップヘッドに採用されている技術である。また、
光ピックアップヘッドには用いられていないが、結像レ
ンズと受光素子の間にアパーチャを配置することにより
ノイズ光を遮断し、Ｓ／Ｎ比が向上する。照射光に対し
て蛍光の強度は小さい。上記の構成により、小型軽量に
なるばかりでなく、Ｓ／Ｎ比も向上する。また、小さな
部品を一つの筐体に配置するので、ＤＮＡチップ読み取
り装置に搭載すると、装置全体が小型になる。さらに、
Ｘ−Ｙ走査をヘッドにて行うことが可能となる。このよ
うにすれば、ＤＮＡチップを走査するよりも、さらに小
型になる。
も一方を非球面レンズとしたことによって、光学系を極
めて小さく軽量にすることが可能となる。これは、光ピ
ックアップヘッドに採用されている技術である。また、
光ピックアップヘッドには用いられていないが、結像レ
ンズと受光素子の間にアパーチャを配置することにより
ノイズ光を遮断し、Ｓ／Ｎ比が向上する。照射光に対し
て蛍光の強度は小さい。上記の構成により、小型軽量に
なるばかりでなく、Ｓ／Ｎ比も向上する。また、小さな
部品を一つの筐体に配置するので、ＤＮＡチップ読み取
り装置に搭載すると、装置全体が小型になる。さらに、
Ｘ−Ｙ走査をヘッドにて行うことが可能となる。このよ
うにすれば、ＤＮＡチップを走査するよりも、さらに小
型になる。
【００２９】また、請求項２の発明は、請求項１に記載
のＤＮＡ読み取りヘッドにおいて、前記ダイクロイック
ミラーと前記結像レンズの間に、前記レーザ光を反射し
前記蛍光を透過する第二のダイクロイックミラーと、該
第二のダイクロイックミラーで反射された前記レーザ光
を受けて焦点を検出するためのオートフォーカス用受光
素子とをさらに有することを特徴とする。
のＤＮＡ読み取りヘッドにおいて、前記ダイクロイック
ミラーと前記結像レンズの間に、前記レーザ光を反射し
前記蛍光を透過する第二のダイクロイックミラーと、該
第二のダイクロイックミラーで反射された前記レーザ光
を受けて焦点を検出するためのオートフォーカス用受光
素子とをさらに有することを特徴とする。
【００３０】高速にＤＮＡチップの蛍光強度を計測する
には、照射光をＤＮＡチップに合焦させることが好まし
い。上記の構成でヘッドを大型化することなく、これが
可能となる。
には、照射光をＤＮＡチップに合焦させることが好まし
い。上記の構成でヘッドを大型化することなく、これが
可能となる。
【００３１】更に、本発明者は、近年、光通信などで期
待されている光導波路の素子を基礎としてＤＮＡチップ
読み取りヘッドに応用すれば、極めて小型軽量化される
ことを突き止め発明に至った。
待されている光導波路の素子を基礎としてＤＮＡチップ
読み取りヘッドに応用すれば、極めて小型軽量化される
ことを突き止め発明に至った。
【００３２】即ち、請求項３に記載のＤＮＡチップ読み
取りヘッドは、基板の一端に配置された半導体レーザ光
源と、該光源からのレーザ光をグレーティングカプラに
導く光導波路と、光導波路からのレーザ光をＤＮＡチッ
プに照射する前記グレーティングカプラと、前記ＤＮＡ
チップで発生した蛍光を受光する受光素子とが前記基板
に一体配置されることを特徴とする。この構成によれ
ば、光導波路素子を用いているので、請求項１の発明と
同様に、ＤＮＡチップ読み取りヘッドを極めて小型軽量
にすることが可能となる。また、複数の素子を一つの基
板に一体配置するので、これをＤＮＡチップ読み取り装
置に搭載すればＤＮＡチップ読み取り装置全体が小型に
なる。
取りヘッドは、基板の一端に配置された半導体レーザ光
源と、該光源からのレーザ光をグレーティングカプラに
導く光導波路と、光導波路からのレーザ光をＤＮＡチッ
プに照射する前記グレーティングカプラと、前記ＤＮＡ
チップで発生した蛍光を受光する受光素子とが前記基板
に一体配置されることを特徴とする。この構成によれ
ば、光導波路素子を用いているので、請求項１の発明と
同様に、ＤＮＡチップ読み取りヘッドを極めて小型軽量
にすることが可能となる。また、複数の素子を一つの基
板に一体配置するので、これをＤＮＡチップ読み取り装
置に搭載すればＤＮＡチップ読み取り装置全体が小型に
なる。
【００３３】なお、光導波路技術を光ディスク用ピック
アップに使用することは、西原等によって提案されてい
る(「レーザー研究」平成3年19巻4号344〜353頁参照)。
しかし、これをＤＮＡチップ読み取りヘッドに使用する
ことは、これまで提案されていない。
アップに使用することは、西原等によって提案されてい
る(「レーザー研究」平成3年19巻4号344〜353頁参照)。
しかし、これをＤＮＡチップ読み取りヘッドに使用する
ことは、これまで提案されていない。
【００３４】また、請求項４に記載された発明は、請求
項３に記載のＤＮＡチップ読み取りヘッドにおいて、前
記ＤＮＡチップから反射したレーザ光を偏向集光する偏
向集光グレーティングと、該偏向集光グレーティングと
対向するように配置され、前記偏向集光グレーティング
で偏向集光された前記反射レーザ光を受光するオートフ
ォーカス用の受光素子とをさらに前記基板に配置される
ことを特徴とする。
項３に記載のＤＮＡチップ読み取りヘッドにおいて、前
記ＤＮＡチップから反射したレーザ光を偏向集光する偏
向集光グレーティングと、該偏向集光グレーティングと
対向するように配置され、前記偏向集光グレーティング
で偏向集光された前記反射レーザ光を受光するオートフ
ォーカス用の受光素子とをさらに前記基板に配置される
ことを特徴とする。
【００３５】このようにすれば、レーザ光をＤＮＡチッ
プ上に合焦するための素子が同一基板上に一体的に配置
される。従って、ＤＮＡチップ読み取りヘッドを大型化
することなく、高速に合焦することが可能となる。
プ上に合焦するための素子が同一基板上に一体的に配置
される。従って、ＤＮＡチップ読み取りヘッドを大型化
することなく、高速に合焦することが可能となる。
【００３６】さらに、発明者は、ＤＮＡチップ読み取り
ヘッドを小型にすれば、これを走査することが可能であ
ることを見出した。このようにすれば、装置全体が更に
小型になる。そこで、請求項５に記載の発明は、ＤＮＡ
チップ読み取り装置において、ＤＮＡチップを固定する
試料台と、前記ＤＮＡチップに光を照射して、発生する
蛍光の強度を計測する読み取りヘッドと、前記読み取り
ヘッドを固定しＤＮＡチップ上を走査する走査装置、及
び、前記走査装置に走査信号を出力して、前記読み取り
ヘッドから蛍光の強度に対応する信号を受け取って、蛍
光を発する座標と対応させて蛍光の強度に対応する前記
信号を記憶するための制御装置を有することを特徴とす
る。
ヘッドを小型にすれば、これを走査することが可能であ
ることを見出した。このようにすれば、装置全体が更に
小型になる。そこで、請求項５に記載の発明は、ＤＮＡ
チップ読み取り装置において、ＤＮＡチップを固定する
試料台と、前記ＤＮＡチップに光を照射して、発生する
蛍光の強度を計測する読み取りヘッドと、前記読み取り
ヘッドを固定しＤＮＡチップ上を走査する走査装置、及
び、前記走査装置に走査信号を出力して、前記読み取り
ヘッドから蛍光の強度に対応する信号を受け取って、蛍
光を発する座標と対応させて蛍光の強度に対応する前記
信号を記憶するための制御装置を有することを特徴とす
る。
【００３７】ＤＮＡチップを走査するなら、試料台が走
査される面積と読み取りヘッドを固定する領域も必要と
なる。一方、この構成のように、読み取りヘッドを走査
するなら、ＤＮＡチップを固定する試料台とほぼ同程度
の面積までＤＮＡ読み取り装置を小型にすることが可能
となる。
査される面積と読み取りヘッドを固定する領域も必要と
なる。一方、この構成のように、読み取りヘッドを走査
するなら、ＤＮＡチップを固定する試料台とほぼ同程度
の面積までＤＮＡ読み取り装置を小型にすることが可能
となる。
【００３８】また、請求項６の構成のように、読み取り
ヘッドにオートフォーカス機構を有していれば、高速に
ＤＮＡチップを計測することが可能となる。
ヘッドにオートフォーカス機構を有していれば、高速に
ＤＮＡチップを計測することが可能となる。
【００３９】請求項７に記載の発明は、請求項５に記載
のＤＮＡチップ読み取り装置において、前記読み取りヘ
ッドは、光ピックアップヘッドであることを特徴とす
る。また、請求項８に記載の発明は、請求項５に記載の
前記読み取りヘッドにおいて、集光素子と受光素子と光
導波路が基板上に配置された光導波路素子を有すること
を特徴とする。これらの発明は、小型軽量の読み取りヘ
ッドを具体化したものである。
のＤＮＡチップ読み取り装置において、前記読み取りヘ
ッドは、光ピックアップヘッドであることを特徴とす
る。また、請求項８に記載の発明は、請求項５に記載の
前記読み取りヘッドにおいて、集光素子と受光素子と光
導波路が基板上に配置された光導波路素子を有すること
を特徴とする。これらの発明は、小型軽量の読み取りヘ
ッドを具体化したものである。
【００４０】また、請求項９に記載の発明は、請求項８
に記載のＤＮＡチップ読み取り装置において、前記集光
素子がグレーティングカップラであり、前記受光素子上
には波長フィルタがさらに配置されることを特徴とす
る。
に記載のＤＮＡチップ読み取り装置において、前記集光
素子がグレーティングカップラであり、前記受光素子上
には波長フィルタがさらに配置されることを特徴とす
る。
【００４１】波長フィルタは、所望の波長のみ透過す
る。このため、蛍光以外の光がこのフィルタにて遮断さ
れ、受光素子に入射しない。このため、Ｓ／Ｎ比が向上
する。また、グレーティングカップラは、光導波路素子
に使用される集光素子の具体的な素子である。
る。このため、蛍光以外の光がこのフィルタにて遮断さ
れ、受光素子に入射しない。このため、Ｓ／Ｎ比が向上
する。また、グレーティングカップラは、光導波路素子
に使用される集光素子の具体的な素子である。
【００４２】また、請求項１０に記載の発明は、請求項
８に記載のＤＮＡチップ読み取り装置において、前記光
導波路素子が前記光導波路と直交する位置に表面弾性波
を発生するための交差指電極が設けられることを特徴と
する。
８に記載のＤＮＡチップ読み取り装置において、前記光
導波路素子が前記光導波路と直交する位置に表面弾性波
を発生するための交差指電極が設けられることを特徴と
する。
【００４３】適切な基板材料を選択すれば、このように
配置された交差指電極に高周波電界を印加すれば、表面
弾性波を発生する。そして、光導波路を進行中の光を回
折させる。高周波であるため、回折角は連続的に変化す
る。従って、この構成により、Ｘ軸又はＹ軸の一方に光
を走査することが可能となる。
配置された交差指電極に高周波電界を印加すれば、表面
弾性波を発生する。そして、光導波路を進行中の光を回
折させる。高周波であるため、回折角は連続的に変化す
る。従って、この構成により、Ｘ軸又はＹ軸の一方に光
を走査することが可能となる。
【００４４】また、請求項１１に記載の発明は、請求項
８に記載のＤＮＡ読み取り装置において、前記光導波路
素子が周期的分極反転構造を有していることを特徴とす
る。
８に記載のＤＮＡ読み取り装置において、前記光導波路
素子が周期的分極反転構造を有していることを特徴とす
る。
【００４５】周期的分極反転構造は、適切な基板材料を
選択すれば、入射する光に疑似位相整合を生じさせて波
長が変調する。従って、例えば赤色光が入射すると青色
光が出力される。この構成により、ＤＮＡチップに照射
する照射光は、その波長の選択の幅が広まる。
選択すれば、入射する光に疑似位相整合を生じさせて波
長が変調する。従って、例えば赤色光が入射すると青色
光が出力される。この構成により、ＤＮＡチップに照射
する照射光は、その波長の選択の幅が広まる。
【００４６】また、請求項１２に記載の発明は、請求項
８から請求項１１のいずれかに記載のＤＮＡ読み取り装
置において、前記読み取りヘッドは、複数の光導波路素
子が一つの基板上に配置されることを特徴とする。
８から請求項１１のいずれかに記載のＤＮＡ読み取り装
置において、前記読み取りヘッドは、複数の光導波路素
子が一つの基板上に配置されることを特徴とする。
【００４７】この構成によるＤＮＡ読み取り装置は、複
数の読み取り部を有する読み取りヘッドを有しているの
で一度の走査で複数の蛍光強度を計測することが可能と
なる。このため、スループットが向上する。
数の読み取り部を有する読み取りヘッドを有しているの
で一度の走査で複数の蛍光強度を計測することが可能と
なる。このため、スループットが向上する。
【００４８】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態を説明する。 ［第１実施形態］図１は、第１実施形態に係る本発明の
ＤＮＡチップ読み取りヘッド断面構成図である。
施形態を説明する。 ［第１実施形態］図１は、第１実施形態に係る本発明の
ＤＮＡチップ読み取りヘッド断面構成図である。
【００４９】半導体レーザ光源１１から出射したレーザ
光は、レンズ１２を通り、ダイクロイックミラー１３で
反射され、非球面対物レンズ１４でＤＮＡチップ１上に
集光する。このダイクロイックミラー１３は、光源１１
の波長に対しては、ハーフミラーとして働き、読み取り
対象の蛍光の波長は透過する。ダイクロイックミラー１
３は、一辺が１０mmの立方体である。ＤＮＡチップ１で
反射したレーザ光とそこで発生した蛍光は、非球面対物
レンズ１４を通り、ダイクロイックミラー１３を透過
し、更に第２のダイクロイックミラー１５に入射する。
光は、レンズ１２を通り、ダイクロイックミラー１３で
反射され、非球面対物レンズ１４でＤＮＡチップ１上に
集光する。このダイクロイックミラー１３は、光源１１
の波長に対しては、ハーフミラーとして働き、読み取り
対象の蛍光の波長は透過する。ダイクロイックミラー１
３は、一辺が１０mmの立方体である。ＤＮＡチップ１で
反射したレーザ光とそこで発生した蛍光は、非球面対物
レンズ１４を通り、ダイクロイックミラー１３を透過
し、更に第２のダイクロイックミラー１５に入射する。
【００５０】ダイクロイックミラー１５は、光源１１の
波長のレーザ光を全反射し、蛍光は透過する。これもダ
イクロイックミラー１３と同様に一辺が１０mmの立方体
である。ダイクロイックミラー１５で反射したＤＮＡチ
ップ１からの反射戻り光は、レンズ１６で４分割受光素
子１７上に集光する。４分割受光素子１７は、非点収差
法を用いて対物レンズ１４のＤＮＡチップ１の表面に対
するフォーカスオフセットを検出する。非点収差法によ
るフォーカスオフセット検出は、一般の光ディスク装置
で既に用いられている。
波長のレーザ光を全反射し、蛍光は透過する。これもダ
イクロイックミラー１３と同様に一辺が１０mmの立方体
である。ダイクロイックミラー１５で反射したＤＮＡチ
ップ１からの反射戻り光は、レンズ１６で４分割受光素
子１７上に集光する。４分割受光素子１７は、非点収差
法を用いて対物レンズ１４のＤＮＡチップ１の表面に対
するフォーカスオフセットを検出する。非点収差法によ
るフォーカスオフセット検出は、一般の光ディスク装置
で既に用いられている。
【００５１】ダイクロイックミラー１５を透過した蛍光
は、非球面結像レンズ１８によってアパーチャ１９上の
ピンホールに集光する。非球面結像レンズ１８に入射す
る光の中には、ノイズとなる不要成分も存在する。この
不要成分は、光源１１以外からＤＮＡチップ１に入射し
て反射した光や、その他の漏れ光などである。アパーチ
ャ１９は、これらの不要成分を遮断するために配置す
る。
は、非球面結像レンズ１８によってアパーチャ１９上の
ピンホールに集光する。非球面結像レンズ１８に入射す
る光の中には、ノイズとなる不要成分も存在する。この
不要成分は、光源１１以外からＤＮＡチップ１に入射し
て反射した光や、その他の漏れ光などである。アパーチ
ャ１９は、これらの不要成分を遮断するために配置す
る。
【００５２】アパーチャ１９のピンホールを通過した光
は、受光素子２０で受光される。受光素子２０の出力は
アンプ２１で増幅されて本ＤＮＡ読み取りヘッドから出
力される。
は、受光素子２０で受光される。受光素子２０の出力は
アンプ２１で増幅されて本ＤＮＡ読み取りヘッドから出
力される。
【００５３】ここでは、レンズ１２、１６も非球面レン
ズを用いた。このように非球面レンズを使用すると、複
数のレンズを使用しなくとも光学系が完成するので小型
になる。ここに使用するレンズ１２、１４、１６、１８
の直径は約６mmである。
ズを用いた。このように非球面レンズを使用すると、複
数のレンズを使用しなくとも光学系が完成するので小型
になる。ここに使用するレンズ１２、１４、１６、１８
の直径は約６mmである。
【００５４】回路基板２２上には、光源１１のドライバ
回路２３とオートフォーカス回路２４が配置されてい
る。オートフォーカス回路２４は、４分割受光素子１７
の出力をもとにして、非球面対物レンズ１４がＤＮＡチ
ップ１に対してジャストフォーカスとなるように常にＺ
軸アクチュエータ２５を駆動して対物レンズ１４をＺ軸
方向に動かす。このオートフォーカス動作は、測定中継
続して行う。
回路２３とオートフォーカス回路２４が配置されてい
る。オートフォーカス回路２４は、４分割受光素子１７
の出力をもとにして、非球面対物レンズ１４がＤＮＡチ
ップ１に対してジャストフォーカスとなるように常にＺ
軸アクチュエータ２５を駆動して対物レンズ１４をＺ軸
方向に動かす。このオートフォーカス動作は、測定中継
続して行う。
【００５５】このように本ＤＮＡチップ読み取りヘッド
は、ＤＮＡチップを読みとるための光学系や素子、回路
が一体に構成され、ひとつの筐体２６の中に配置されて
いる。このため、従来に比べて格段に小型軽量化されて
いる。この筐体２６（即ち、ＤＮＡチップ読み取りヘッ
ド）の大きさ及び形状は、幅および奥行きが３０mm、高
さ５０mmの直方体である。また、重さはおよそ１００ｇ
程度である。
は、ＤＮＡチップを読みとるための光学系や素子、回路
が一体に構成され、ひとつの筐体２６の中に配置されて
いる。このため、従来に比べて格段に小型軽量化されて
いる。この筐体２６（即ち、ＤＮＡチップ読み取りヘッ
ド）の大きさ及び形状は、幅および奥行きが３０mm、高
さ５０mmの直方体である。また、重さはおよそ１００ｇ
程度である。
【００５６】本実施形態に係るＤＮＡチップ読み取り装
置は、光ディスクのピックアップヘッドを基礎としてい
る。このため、極めて小型軽量化されるがそればかりで
はなく、アパーチャを配置したことによって、ノイズも
低減されている。
置は、光ディスクのピックアップヘッドを基礎としてい
る。このため、極めて小型軽量化されるがそればかりで
はなく、アパーチャを配置したことによって、ノイズも
低減されている。
【００５７】本実施形態のＤＮＡチップ読み取りヘッド
は、後述する本発明のＤＮＡチップ読み取り装置に搭載
すれば、ＤＮＡチップ読み取り装置全体を小型化するこ
とが可能となる。 ［第２実施形態］図２は、第２実施形態に係る本発明の
ＤＮＡチップ読み取りヘッド斜視図である。本ＤＮＡチ
ップ読み取りヘッドは、光導波路技術に基づいて製造さ
れる。光導波路素子を用いることで、極めて小型軽量化
されたＤＮＡチップ読み取りヘッドが実現できる。
は、後述する本発明のＤＮＡチップ読み取り装置に搭載
すれば、ＤＮＡチップ読み取り装置全体を小型化するこ
とが可能となる。 ［第２実施形態］図２は、第２実施形態に係る本発明の
ＤＮＡチップ読み取りヘッド斜視図である。本ＤＮＡチ
ップ読み取りヘッドは、光導波路技術に基づいて製造さ
れる。光導波路素子を用いることで、極めて小型軽量化
されたＤＮＡチップ読み取りヘッドが実現できる。
【００５８】基板２７は、Ｓｉ基板２７ａ上にガラス層
を有している。ガラス層はスパッタにて形成され、これ
は光導波路２７ｂとなる。基板２７端部には、レーザダ
イオードによる光源３２が配置される。
を有している。ガラス層はスパッタにて形成され、これ
は光導波路２７ｂとなる。基板２７端部には、レーザダ
イオードによる光源３２が配置される。
【００５９】Ｓｉ基板２７ａには、フーコー法によるフ
ォーカスエラー検出のためのフォトダイオード２８、２
９が配置される。また、ガラスによる光導波路２７ｂ上
には、ガラス表面をエッチングすることで形成したフォ
ーカシンググレーティングカップラ３０と、偏向集光グ
レーティング３１が配設される。
ォーカスエラー検出のためのフォトダイオード２８、２
９が配置される。また、ガラスによる光導波路２７ｂ上
には、ガラス表面をエッチングすることで形成したフォ
ーカシンググレーティングカップラ３０と、偏向集光グ
レーティング３１が配設される。
【００６０】フォーカシンググレーティングカプラ３０
は、光導波路から入射する特定波長の光と結合して、こ
の光を空間に放射する。また、空間から入射する特定波
長の光と結合してその光を光導波路に導く。特定波長以
外の光は、透過又は反射される。従って、波長フィルタ
（ローパス、ハイパスなどの）と同様な機能を有してい
る。ここでは、光源３２の光の波長と結合するように作
られている。
は、光導波路から入射する特定波長の光と結合して、こ
の光を空間に放射する。また、空間から入射する特定波
長の光と結合してその光を光導波路に導く。特定波長以
外の光は、透過又は反射される。従って、波長フィルタ
（ローパス、ハイパスなどの）と同様な機能を有してい
る。ここでは、光源３２の光の波長と結合するように作
られている。
【００６１】光源３２からのレーザ光は、導波路内を発
散しながら進行し、フォーカシンググレーティングカッ
プラ３０で空間に放射され、さらにＤＮＡチップ１の表
面に集光する。ＤＮＡチップでは蛍光が発生する。発生
した蛍光と光源３２の反射光が基板２７に入射する。こ
の内、反射光は、フォーカシンググレーティングカップ
ラ３０によって導波路に結合する。導波路に結合した反
射光は、偏向集光グレーティング３１によって偏向さ
れ、フォトダイオード２８、２９に向かって集光する。
散しながら進行し、フォーカシンググレーティングカッ
プラ３０で空間に放射され、さらにＤＮＡチップ１の表
面に集光する。ＤＮＡチップでは蛍光が発生する。発生
した蛍光と光源３２の反射光が基板２７に入射する。こ
の内、反射光は、フォーカシンググレーティングカップ
ラ３０によって導波路に結合する。導波路に結合した反
射光は、偏向集光グレーティング３１によって偏向さ
れ、フォトダイオード２８、２９に向かって集光する。
【００６２】フォトダイオード２８と２９の光量の差に
よって基板２７とＤＮＡチップ１との距離を知ることが
できる。この差信号を用いれば、サイズを大きくするこ
となく、ＤＮＡチップ読み取りヘッドのオートフォーカ
スを行うことが可能となる。
よって基板２７とＤＮＡチップ１との距離を知ることが
できる。この差信号を用いれば、サイズを大きくするこ
となく、ＤＮＡチップ読み取りヘッドのオートフォーカ
スを行うことが可能となる。
【００６３】一方、ＤＮＡチップ１上のスポットで発生
した蛍光は、基板上に形成された受光面の大きい、フォ
トダイオード３３で受光される。フォトダイオード３３
の表面には、薄膜状の波長フィルターが形成されてい
る。このフィルターは、レーザーダイオード３２の波長
を遮断し、蛍光の波長を透過させる。このため、ハイブ
リダイゼーションによって固定化された蛍光マーカーか
らの発光を効率よく読み取ることができる。
した蛍光は、基板上に形成された受光面の大きい、フォ
トダイオード３３で受光される。フォトダイオード３３
の表面には、薄膜状の波長フィルターが形成されてい
る。このフィルターは、レーザーダイオード３２の波長
を遮断し、蛍光の波長を透過させる。このため、ハイブ
リダイゼーションによって固定化された蛍光マーカーか
らの発光を効率よく読み取ることができる。
【００６４】本読み取りヘッドの基板２７は、幅１５mm
長さ５０mmの長方形をしている。非常に小型軽量のヘッ
ドとなる。取り扱いを容易にするため、パッケージに組
み込むが、それでも１００ｇ未満である。 ［第３実施形態］図３は、第３実施形態に係る本発明の
ＤＮＡチップ読み取りヘッド斜視図である。本ＤＮＡチ
ップ読み取りヘッドも光導波路素子を用いている。
長さ５０mmの長方形をしている。非常に小型軽量のヘッ
ドとなる。取り扱いを容易にするため、パッケージに組
み込むが、それでも１００ｇ未満である。 ［第３実施形態］図３は、第３実施形態に係る本発明の
ＤＮＡチップ読み取りヘッド斜視図である。本ＤＮＡチ
ップ読み取りヘッドも光導波路素子を用いている。
【００６５】Ｙ−ｃｕｔニオブ酸リチウムによる基板３
４の表面にチタンの熱拡散による導波路層３４’が配置
される。基板３４端部には、レーザダイオードによる光
源３８が配置される。導波路層３４’には、平面レンズ
３５と表面弾性波を発生させるための交差指電極３６、
およびフォーカシンググレーティングカップラ３７が形
成されている。交差指電極３６は、動波路３４’と直交
する位置に配置される。
４の表面にチタンの熱拡散による導波路層３４’が配置
される。基板３４端部には、レーザダイオードによる光
源３８が配置される。導波路層３４’には、平面レンズ
３５と表面弾性波を発生させるための交差指電極３６、
およびフォーカシンググレーティングカップラ３７が形
成されている。交差指電極３６は、動波路３４’と直交
する位置に配置される。
【００６６】光源３８から出射した光は、平面レンズ３
５でコリメートされる。このコリメート光は、高周波電
界が交差指電極に加えられることによって発生した表面
弾性波によって回折される。回折された光はフォーカシ
ンググレーティングカップラ３７によってＤＮＡチップ
１上に集光される。この際、高周波電界を制御すること
により、表面弾性波による回折角を制御することができ
る。回折角の変化を連続的に変化させることにより、フ
ォーカシンググレーティングカップラ３７による集光位
置をＤＮＡチップ１上で一軸方向（図３の矢印方向）に
走査することが可能となる。
５でコリメートされる。このコリメート光は、高周波電
界が交差指電極に加えられることによって発生した表面
弾性波によって回折される。回折された光はフォーカシ
ンググレーティングカップラ３７によってＤＮＡチップ
１上に集光される。この際、高周波電界を制御すること
により、表面弾性波による回折角を制御することができ
る。回折角の変化を連続的に変化させることにより、フ
ォーカシンググレーティングカップラ３７による集光位
置をＤＮＡチップ１上で一軸方向（図３の矢印方向）に
走査することが可能となる。
【００６７】集光位置での蛍光マーカーによる発光は、
基板３４の周囲に設けた受光素子３９で検出される。光
導波路３４’は、非常に小さいため、受光素子３９に設
けた開口４０も小さくできる。このため、開口４０によ
る蛍光の検出の損失も非常に小さい。受光素子３９は、
幅及び高さ３０mmであるが開口４０の大きさは、高さ
３．５mm、幅２５mmである。
基板３４の周囲に設けた受光素子３９で検出される。光
導波路３４’は、非常に小さいため、受光素子３９に設
けた開口４０も小さくできる。このため、開口４０によ
る蛍光の検出の損失も非常に小さい。受光素子３９は、
幅及び高さ３０mmであるが開口４０の大きさは、高さ
３．５mm、幅２５mmである。
【００６８】ここでは、基板にＹ−ｃｕｔニオブ酸リチ
ウム基板を用いたが、これは、表面弾性波で生ずる導波
路の屈折率変化が大きいためであり、このような物質な
らば、例えば、ＳｉＯ2／Ｓｉ基板上に交差指電極部分
のみＺｎＯ膜を堆積させた基板を用いても良い。 ［第４実施形態］図４は、第４実施形態に係る本発明の
ＤＮＡチップ読み取りヘッド斜視図である。本ＤＮＡチ
ップ読み取りヘッドも光導波路素子を用いている。本実
施形態は、図３に示したＤＮＡチップ読み取りヘッドに
擬似位相整合による波長変換素子を追加したものであ
る。ここでは、第３実施形態との相違部分についてのみ
説明する。
ウム基板を用いたが、これは、表面弾性波で生ずる導波
路の屈折率変化が大きいためであり、このような物質な
らば、例えば、ＳｉＯ2／Ｓｉ基板上に交差指電極部分
のみＺｎＯ膜を堆積させた基板を用いても良い。 ［第４実施形態］図４は、第４実施形態に係る本発明の
ＤＮＡチップ読み取りヘッド斜視図である。本ＤＮＡチ
ップ読み取りヘッドも光導波路素子を用いている。本実
施形態は、図３に示したＤＮＡチップ読み取りヘッドに
擬似位相整合による波長変換素子を追加したものであ
る。ここでは、第３実施形態との相違部分についてのみ
説明する。
【００６９】平面レンズ３５と光源３８の間には、基板
３４中にチャネル導波路４１が配置される。この導波路
４１には、周期的分極反転構造４２が形成されている。
周期的分極反転構造42は、周期電極を形成して高い電界
を結晶に加えることにより形成した。周期的分極反転構
造に入射した光は、波長が変調されて出力される。この
現象は、擬似位相整合と呼ばれている。詳細は、J.A.Ar
mstrong他、Phys.Rev.127(1962)1918頁を参照された
い。これは単純な構造で、動作波長の選択幅が広いこと
から、現在では、レーザープリンターの光源等へ実用化
されている。光源３８から出射した光は、この周期的分
極反転構造４２を持った導波路４１を通過することによ
り、波長が半分に変換されて後続の導波路領域３４’に
入射される。
３４中にチャネル導波路４１が配置される。この導波路
４１には、周期的分極反転構造４２が形成されている。
周期的分極反転構造42は、周期電極を形成して高い電界
を結晶に加えることにより形成した。周期的分極反転構
造に入射した光は、波長が変調されて出力される。この
現象は、擬似位相整合と呼ばれている。詳細は、J.A.Ar
mstrong他、Phys.Rev.127(1962)1918頁を参照された
い。これは単純な構造で、動作波長の選択幅が広いこと
から、現在では、レーザープリンターの光源等へ実用化
されている。光源３８から出射した光は、この周期的分
極反転構造４２を持った導波路４１を通過することによ
り、波長が半分に変換されて後続の導波路領域３４’に
入射される。
【００７０】このような波長変換素子を光源部に使用す
ることにより、本実施形態のＤＮＡチップ読み取りヘッ
ドは、照射光の波長の選択の幅を広げることができる。 ［第５実施形態］図５は、第５実施形態に係る本発明の
ＤＮＡチップ読み取りヘッド斜視図である。本実施形態
は、一つの基板上２７に導波路型素子を複数集積化した
ものである。このような構成をとることにより、同時に
ＤＮＡチップの複数点の走査が可能になり、測定を高速
化することができる。
ることにより、本実施形態のＤＮＡチップ読み取りヘッ
ドは、照射光の波長の選択の幅を広げることができる。 ［第５実施形態］図５は、第５実施形態に係る本発明の
ＤＮＡチップ読み取りヘッド斜視図である。本実施形態
は、一つの基板上２７に導波路型素子を複数集積化した
ものである。このような構成をとることにより、同時に
ＤＮＡチップの複数点の走査が可能になり、測定を高速
化することができる。
【００７１】また、ここでは同じ波長の光源３２を各光
導波路素子に一つずつ配置させたが、これに限らず、一
つの光源３２の光を分岐チャネル導波路で分岐させるこ
とにより、光源の数を減らすことによるコストダウンを
行うことや、異なる複数の波長で走査することも可能で
ある。 ［第６実施形態］図６は、第６実施形態に係る本発明の
ＤＮＡチップ読み取り装置斜視図である。
導波路素子に一つずつ配置させたが、これに限らず、一
つの光源３２の光を分岐チャネル導波路で分岐させるこ
とにより、光源の数を減らすことによるコストダウンを
行うことや、異なる複数の波長で走査することも可能で
ある。 ［第６実施形態］図６は、第６実施形態に係る本発明の
ＤＮＡチップ読み取り装置斜視図である。
【００７２】ＤＮＡチップ１は、試料台２の上に固定さ
れる。試料台２の両側には、Ｘ軸ガイドレール３および
Ｘ軸ウオームギヤ５が配設されている。また、Ｘ軸ウオ
ームギヤ５には、モーター４が接続されており、このモ
ーター４の駆動によって、Ｘ軸ウオームギヤ５及びＸ軸
ガイドレール３上に固定されるものが走査できるように
なっている。
れる。試料台２の両側には、Ｘ軸ガイドレール３および
Ｘ軸ウオームギヤ５が配設されている。また、Ｘ軸ウオ
ームギヤ５には、モーター４が接続されており、このモ
ーター４の駆動によって、Ｘ軸ウオームギヤ５及びＸ軸
ガイドレール３上に固定されるものが走査できるように
なっている。
【００７３】Ｘ軸ガイドレール３とＸ軸ウオームギヤ５
にはＹ軸ウオームギヤ６が配置され、これは、モーター
４でＸ軸方向に駆動される。Ｙ軸ウオームギヤ６には、
モーター７が接続されており、このモーター７の駆動に
よって、Ｙ軸ウオームギア６上に固定されるものが走査
できるようになっている。
にはＹ軸ウオームギヤ６が配置され、これは、モーター
４でＸ軸方向に駆動される。Ｙ軸ウオームギヤ６には、
モーター７が接続されており、このモーター７の駆動に
よって、Ｙ軸ウオームギア６上に固定されるものが走査
できるようになっている。
【００７４】このＹ軸ウオームギヤ６には、読取光学系
を内包した読み取りヘッド８が取り付けられている。具
体的には、第１実施形態から第５実施形態に記載したＤ
ＮＡチップ読み取りヘッドである。読み取りヘッド８
は、Ｙ軸ウオームギヤ６によってＹ軸に沿って自由に動
かすことができる。
を内包した読み取りヘッド８が取り付けられている。具
体的には、第１実施形態から第５実施形態に記載したＤ
ＮＡチップ読み取りヘッドである。読み取りヘッド８
は、Ｙ軸ウオームギヤ６によってＹ軸に沿って自由に動
かすことができる。
【００７５】制御装置９は、読み取りヘッド８がＤＮＡ
チップ１全体をＸＹ走査するように各モーター４、７を
制御する。具体的には、特定のＸ座標で読み取りヘッド
８をＹ軸全体に一方向走査したあと、1ピッチ分だけＸ
座標を進め、今度は先程とは反対のＹ軸方向に読み取り
ヘッド８を走査する。これをＤＮＡチップ１の測定対象
領域全体を走査するまで繰返す。１ピッチの寸法は、Ｄ
ＮＡチップに配置された全スポットが読みとれるように
適時選択すればよいが、一般的には数ミクロンである。
チップ１全体をＸＹ走査するように各モーター４、７を
制御する。具体的には、特定のＸ座標で読み取りヘッド
８をＹ軸全体に一方向走査したあと、1ピッチ分だけＸ
座標を進め、今度は先程とは反対のＹ軸方向に読み取り
ヘッド８を走査する。これをＤＮＡチップ１の測定対象
領域全体を走査するまで繰返す。１ピッチの寸法は、Ｄ
ＮＡチップに配置された全スポットが読みとれるように
適時選択すればよいが、一般的には数ミクロンである。
【００７６】また、制御装置９は、前記走査の間、読み
取りヘッド8から出力される蛍光強度を読み取りヘッド
８のＸＹ座標とともに記録し、表示装置１０に表示す
る。
取りヘッド8から出力される蛍光強度を読み取りヘッド
８のＸＹ座標とともに記録し、表示装置１０に表示す
る。
【００７７】本実施形態のＤＮＡチップ読み取り装置
は、実施形態１から５に記載された非常に小型のＤＮＡ
チップ読み取りヘッドを搭載しているので、装置全体が
小型になる。また、ヘッドを走査するので、さらに小型
になっている。
は、実施形態１から５に記載された非常に小型のＤＮＡ
チップ読み取りヘッドを搭載しているので、装置全体が
小型になる。また、ヘッドを走査するので、さらに小型
になっている。
【００７８】また、ヘッドにオートフォーカス機構を搭
載すれば、高速にＤＮＡチップを計測することが可能と
なる。
載すれば、高速にＤＮＡチップを計測することが可能と
なる。
【００７９】
【発明の効果】このように、本発明のＤＮＡチップ読み
取りヘッドは、光ピックアップヘッドや光導波路素子の
技術を巧みに応用することにより、極めて小型軽量とな
った。このため、これをＤＮＡチップ読み取り装置に搭
載すれば、装置全体が小型化となり、また、製造コスト
も低下出来るという効果がある。
取りヘッドは、光ピックアップヘッドや光導波路素子の
技術を巧みに応用することにより、極めて小型軽量とな
った。このため、これをＤＮＡチップ読み取り装置に搭
載すれば、装置全体が小型化となり、また、製造コスト
も低下出来るという効果がある。
【００８０】また、本装置を用いることにより容易に可
搬構成をとることができ、そのため、臨床や税関現場で
のＤＮＡ判定を促進することができると言う効果もあ
る。
搬構成をとることができ、そのため、臨床や税関現場で
のＤＮＡ判定を促進することができると言う効果もあ
る。
【図１】第１実施形態に係る本発明のＤＮＡチップ読み
取りヘッド断面構成図である。
取りヘッド断面構成図である。
【図２】第２実施形態に係る本発明のＤＮＡチップ読み
取りヘッド斜視図である。
取りヘッド斜視図である。
【図３】第３実施形態に係る本発明のＤＮＡチップ読み
取りヘッド斜視図である。
取りヘッド斜視図である。
【図４】第４実施形態に係る本発明のＤＮＡチップ読み
取りヘッド斜視図である。
取りヘッド斜視図である。
【図５】第５実施形態に係る本発明のＤＮＡチップ読み
取りヘッド斜視図である。
取りヘッド斜視図である。
【図６】第６実施形態に係る本発明のＤＮＡチップ読み
取り装置斜視図である。
取り装置斜視図である。
１…ＤＮＡチップ ２…試料台 ３…Ｘ軸ガイドレール ４，７…モーター ５…Ｘ軸ウオームギア ６…Ｙ軸ウオームギア ８…読み取りヘッド ９…制御装置 １０…表示装置 １１…半導体レーザ光源 １２．１６…レンズ １３，１５…ダイクロイックミラー １４…非球面対物レンズ １７…４分割受光素子 １８…非球面結像レンズ １９…アパーチャ ２０，３９…受光素子 ２１…アンプ ２２…回路基板 ２３…ドライバ回路 ２４…オートフォーカス回路 ２５…Ｚ軸アクチュエータ ２６…筐体 ２７，３４…基板 ２８，２９，３３…フォトダイオード ３０，３７…フォーカシンググレーティングカプラ ３１…偏向集光グレーティング ３２，３８…光源 ３５…平面レンズ ３６…交差指電極 ４０…開口 ４１…導波路 ４２…周期的分極反転構造
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ１２Ｎ 15/09 Ｃ１２Ｑ 1/68 Ａ ４Ｂ０２９ Ｃ１２Ｑ 1/68 Ｇ０１Ｎ 33/483 Ｃ ４Ｂ０３３ Ｇ０１Ｎ 33/483 33/53 Ｍ ４Ｂ０６３ 33/53 33/566 ９Ａ００１ 33/566 35/02 Ｆ 35/02 Ｇ０２Ｂ 13/18 Ｇ０２Ｂ 13/18 Ｃ１２Ｎ 15/00 Ａ Ｆターム(参考） 2G043 BA16 DA02 DA05 EA01 FA01 GA07 GB01 HA01 HA05 JA02 JA04 LA03 2G045 AA35 DA12 DA13 DA14 FA12 FA15 FB02 GC15 HA09 HA14 JA07 2G058 AA09 CC09 GA04 2H087 KA12 LA21 PA04 PB04 QA01 QA07 QA13 QA33 RA01 RA32 RA41 RA44 RA45 RA48 4B024 AA20 HA12 4B029 AA23 BB20 4B033 NA45 NB63 ND20 NF02 4B063 QA01 QA13 QA17 QA18 QQ42 QQ52 QS34 9A001 BB06 KK16 KK22
Claims (12)
- 【請求項１】 半導体レーザ光源と、 前記半導体レーザ光源からのレーザ光をＤＮＡチップに
照射し、該ＤＮＡチップで発生する蛍光を集光するため
の対物レンズと、 前記対物レンズを透過した前記蛍光を受光素子に導く結
像レンズと、 前記光源からのレーザ光についてはハーフミラーとなっ
て該レーザ光を前記対物レンズに導き、前記蛍光は透過
させて前記結像レンズに導くダイクロイックミラーと、
及び、 前記結像レンズと前記受光素子の間に配置するアパーチ
ャとを有し、 これらが一つの筐体に配置され、且つ、前記対物レンズ
と前記結像レンズのうち少なくとも一方は非球面レンズ
であることを特徴とするＤＮＡチップ読み取りヘッド。 - 【請求項２】 請求項１に記載のＤＮＡ読み取りヘッド
において、 前記ダイクロイックミラーと前記結像レンズの間に、前
記レーザ光を反射し前記蛍光を透過する第二のダイクロ
イックミラーと、 該第二のダイクロイックミラーで反射された前記レーザ
光を受けて焦点を検出するためのオートフォーカス用受
光素子とをさらに有することを特徴とするＤＮＡチップ
読み取りヘッド。 - 【請求項３】 基板の一端に配置された半導体レーザ光
源と、 該光源からのレーザ光をグレーティングカプラに導く光
導波路と、 光導波路からのレーザ光をＤＮＡチップに照射する前記
グレーティングカプラと、 前記ＤＮＡチップで発生した蛍光を受光する受光素子と
が前記基板に一体配置されることを特徴とするＤＮＡチ
ップ読み取りヘッド。 - 【請求項４】 請求項３に記載のＤＮＡチップ読み取り
ヘッドにおいて、 前記ＤＮＡチップから反射したレーザ光を偏向集光する
偏向集光グレーティングと、 該偏向集光グレーティングと対向するように配置され、
前記偏向集光グレーティングで偏向集光された前記反射
レーザ光を受光するオートフォーカス用の受光素子とを
さらに前記基板に配置されることを特徴とするＤＮＡチ
ップ読み取りヘッド。 - 【請求項５】 ＤＮＡチップを固定する試料台と、 前記ＤＮＡチップに光を照射して、発生する蛍光の強度
を計測する読み取りヘッドと、 前記読み取りヘッドを固定しＤＮＡチップ上を走査する
走査装置、及び、 前記走査装置に走査信号を出力して、前記ヘッドから蛍
光の強度に対応する信号を受け取って、蛍光を発する座
標と対応させて蛍光の強度に対応する前記信号を記憶す
るための制御装置を有することを特徴とするＤＮＡチッ
プ読み取り装置。 - 【請求項６】 前記読み取りヘッドは、オートフォーカ
ス機構を有していることを特徴とする請求項５に記載の
ＤＮＡチップ読み取り装置。 - 【請求項７】 前記読み取りヘッドは、光ピックアップ
ヘッドであることを特徴とする請求項５に記載のＤＮＡ
チップ読み取り装置。 - 【請求項８】 前記読み取りヘッドは、集光素子と受光
素子と光導波路が基板上に配置された光導波路素子を有
することを特徴とする請求項５に記載のＤＮＡチップ読
み取り装置。 - 【請求項９】 前記集光素子はグレーティングカップラ
であり、前記受光素子上には波長フィルタがさらに配置
されることを特徴とする請求項８に記載のＤＮＡチップ
読み取り装置。 - 【請求項１０】 前記光導波路素子は、前記光導波路と
直交する位置に表面弾性波を発生するための交差指電極
が設けられることを特徴とする請求項８に記載のＤＮＡ
チップ読み取り装置。 - 【請求項１１】 前記光導波路素子は、周期的分極反転
構造を有していることを特徴とする請求項８に記載のＤ
ＮＡチップ読み取り装置。 - 【請求項１２】 前記読み取りヘッドは、複数の光導波
路素子が一つの基板上に配置されることを特徴とする請
求項８から請求項１１のいずれかに記載のＤＮＡチップ
読み取り装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000052710A JP2001242081A (ja) | 2000-02-29 | 2000-02-29 | Ｄｎａチップ読み取りヘッド及びｄｎａチップ読み取り装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000052710A JP2001242081A (ja) | 2000-02-29 | 2000-02-29 | Ｄｎａチップ読み取りヘッド及びｄｎａチップ読み取り装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001242081A true JP2001242081A (ja) | 2001-09-07 |
Family
ID=18574181
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000052710A Ceased JP2001242081A (ja) | 2000-02-29 | 2000-02-29 | Ｄｎａチップ読み取りヘッド及びｄｎａチップ読み取り装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001242081A (ja) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007509324A (ja) * | 2003-10-16 | 2007-04-12 | アドバンスド フルイディックス ラボラトリーズ， エルエルシー | 診断デバイス用のマルチレンズ光アセンブリ |
| JP2008122411A (ja) * | 2005-09-29 | 2008-05-29 | Toto Ltd | 光電流を用いた被検物質の特異的検出方法、それに用いられる電極、測定用セルおよび測定装置 |
| WO2009123359A1 (en) | 2008-04-02 | 2009-10-08 | Canon Kabushiki Kaisha | Scanning imaging device |
| US8092670B2 (en) | 2005-09-29 | 2012-01-10 | Toto Ltd. | Method for specifically detecting analyte using photocurrent, and electrode, measuring cell and measuring device for use therein |
| JP2013036991A (ja) * | 2011-07-12 | 2013-02-21 | Olympus Corp | 光学的観察装置 |
| KR101761128B1 (ko) * | 2016-04-18 | 2017-07-25 | 전자부품연구원 | 바이오센서용 형광광학계 |
| JP2018522209A (ja) * | 2015-04-30 | 2018-08-09 | ビオメリューＢｉｏｍｅｒｉｅｕｘ | 光応答の色スペクトル分解を用いた自動インビトロ検体検出のための装置及び方法 |
| KR101891232B1 (ko) * | 2016-12-20 | 2018-10-02 | 미라클스코프(주) | 형광 검출을 위한 광학헤드 |
| US10669576B2 (en) | 2003-05-08 | 2020-06-02 | Bio-Rad Laboratories, Inc. | Systems and methods for fluorescence detection with a movable detection module |
-
2000
- 2000-02-29 JP JP2000052710A patent/JP2001242081A/ja not_active Ceased
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10669576B2 (en) | 2003-05-08 | 2020-06-02 | Bio-Rad Laboratories, Inc. | Systems and methods for fluorescence detection with a movable detection module |
| US10724084B2 (en) | 2003-05-08 | 2020-07-28 | Bio-Rad Laboratories, Inc. | Systems and methods for fluorescence detection with a movable detection module |
| JP2007509324A (ja) * | 2003-10-16 | 2007-04-12 | アドバンスド フルイディックス ラボラトリーズ， エルエルシー | 診断デバイス用のマルチレンズ光アセンブリ |
| JP2008122411A (ja) * | 2005-09-29 | 2008-05-29 | Toto Ltd | 光電流を用いた被検物質の特異的検出方法、それに用いられる電極、測定用セルおよび測定装置 |
| US8092670B2 (en) | 2005-09-29 | 2012-01-10 | Toto Ltd. | Method for specifically detecting analyte using photocurrent, and electrode, measuring cell and measuring device for use therein |
| WO2009123359A1 (en) | 2008-04-02 | 2009-10-08 | Canon Kabushiki Kaisha | Scanning imaging device |
| US8716641B2 (en) | 2008-04-02 | 2014-05-06 | Canon Kabushiki Kaisha | Scanning imaging device for imaging target on a substrate |
| JP2013036991A (ja) * | 2011-07-12 | 2013-02-21 | Olympus Corp | 光学的観察装置 |
| JP2018522209A (ja) * | 2015-04-30 | 2018-08-09 | ビオメリューＢｉｏｍｅｒｉｅｕｘ | 光応答の色スペクトル分解を用いた自動インビトロ検体検出のための装置及び方法 |
| KR101761128B1 (ko) * | 2016-04-18 | 2017-07-25 | 전자부품연구원 | 바이오센서용 형광광학계 |
| KR101891232B1 (ko) * | 2016-12-20 | 2018-10-02 | 미라클스코프(주) | 형광 검출을 위한 광학헤드 |
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