JP2001289786A

JP2001289786A - Ｄｎａチップ読み取り装置

Info

Publication number: JP2001289786A
Application number: JP2000107422A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Iwasaki; 豊岩崎; Yoshihiko Suzuki; 美彦鈴木
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2000-04-10
Filing date: 2000-04-10
Publication date: 2001-10-19
Anticipated expiration: 2020-04-10
Also published as: JP4320908B2

Abstract

(57)【要約】【課題】小型でスループットの良いＤＮＡチップの読
み取り装置を提供する。【解決手段】励起用光源１２からの光は、光導波路１
３を伝搬する。電極１５、１６に電圧が印加されない場
合は、ＴＥモード光がそのまま通過し、電圧を印加する
とＴＥモード光がＴＭモード光に変換される。導波路１
３を通った光は、導波路分岐部１７を経て、光導波路１
８の端面から出射し、対物レンズ１９を介してＤＮＡチ
ップ１上を照明する。ＤＮＡチップ１上のスポットで発
生した蛍光は、対物レンズ１９により、光導波路１８の
端面に集光され、光導波路１８、２０を通り、導波路型
ＴＥ／ＴＭモードスプリッタ２１によって、ＴＥモード
成分とＴＭモード成分に分けられ、前者は光導波路２３
を伝搬し、光検出器２５で検出される。後者は光導波路
２４を伝搬し、光検出器２６で検出される。

Description

【発明の詳細な説明】

【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チップを、光学的に読み取る装置に関する
ものであり、さらに詳しくは、光源からの偏光をＤＮＡ
チップに照射し、ＤＮＡチップから発生する蛍光の異方
性を計測することにより、当該ＤＮＡチップ上のハイブ
リダイゼーションを測定するＤＮＡチップ読み取り装置
に関するものである。

【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、対象生物の遺伝子レベルの構造の解明が不可欠であ
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
るための装置として、ＤＮＡチップ又はＤＮＡチップと
呼ばれるもの(本明細書においては、これらをＤＮＡチ
ップと称する)、及びその読み取り装置が開発され、実
用に供されている。例えば、米国ゼネラルスキャニング
社は、ScanArrayシリーズという名称のＤＮＡチップ及
びその読み取り装置を販売している。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】ＤＮＡチップは、板状の基板に所定の塩基
配列を有するオリゴヌクレオチド(ＤＮＡプローブ)を適
当な間隔で、スポット状に固定化したものである。通
常、１つのスポットの大きさは、20〜200μm程度であ
り、１つのスポット内には、数百万本程度の数の、同一
のオリゴヌクレオチドが固定化されている。固定化され
るオリゴヌクレオチドの塩基数は20程度であることが一
般的である。

【０００５】基板としては、ガラス、Si基板、プラスチ
ックが用いられている。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とし
たものである。典型的なスライドガラス基板は、大きさ
が75mm×25mm、厚さが１mmである。１つのＤＮＡチップ
全体では、前記のようなスポットが50μm〜500μmの間
隔でマトリクス状に配列されている。各スポットに含ま
れるオリゴヌクレオチドは、互いに異なるヌクレオチド
配列を有している。

【０００６】基板上にオリゴヌクレオチドを固定化する
方法としては、基板上で一層ずつ、オリゴヌクレオチド
を合成しながら固定化する方法と、あらかじめ別途合成
しておいたオリゴヌクレオチドを基板上に固定化する方
法がある。

【０００７】前者の方法における代表的な技術はフォト
リソグラフィー技術である。また、後者の方法にはメカ
ニカルマイクロスポッティング技術がある。インクジェ
ット技術はどちらの方法にも使用される。

【０００８】フォトリソグラフィ技術は、Fordor等によ
って開発された技術で(Science,251号、767頁(1991年)
参照)、光反応性保護基を利用する。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。

【０００９】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よ
うになる。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。

【００１０】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。このあと、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
ＤＮＡチップを作製する。

【００１１】次に、インクジェット技術を利用したＤＮ
Ａチップの作製方法について述べる。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、主にプリンタ
ー装置において広く用いられている。

【００１２】ＤＮＡチップの製造には、圧電素子をガラ
スキャピラリーと組み合わせた構造のインクジェット装
置が使用される。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。圧電素子を用いたインク
ジェット装置では、このような液滴を10KHz程度の周期
で射出することができる。

【００１３】このようなインクジェット装置を使ったＤ
ＮＡチップの製造装置は、インクジェット装置とＤＮＡ
チップ基板を相対運動させることにより、ＤＮＡチップ
基板上の所望のスポットに所望の液滴を滴下することが
できる。インクジェット装置を使ったＤＮＡチップ製造
装置には、大きくわけて２種類ある。ひとつは、ただ１
台のインクジェット装置を用いるものである。

【００１４】このインクジェット装置は、オリゴマー末
端の保護基を除去する試薬を所望のスポットに滴下する
構成になっている。所望の塩基を導入したいスポットの
保護基を、このインクジェット装置を用いて除去して活
性な状態にした後、ＤＮＡチップ基板全体に所望の塩基
の結合反応操作を実施する。この際、インクジェット装
置からの試薬の滴下によって末端が活性化したオリゴマ
ーを持つスポットのみに所望の塩基が結合する。この
後、新たに付加した塩基の末端を保護する操作を行う。
次に、保護基を除去するスポットを変更してこの操作を
所望のヌクレオチド配列が得られるまで繰返す。

【００１５】一方、マルチヘッドのインクジェット装置
を用いたＤＮＡチップ製造装置は、各塩基を含む試薬毎
にインクジェット装置を用意することによって各スポッ
ト毎に所望の塩基を直接結合させることができる構成に
なっており、前述のＤＮＡチップ製造装置よりも高いス
ループットが得られる。

【００１６】あらかじめ合成したオリゴヌクレオチドを
基板に固定化させる方法のうち、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
たオリゴヌクレオチド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】以上のようにして作製したＤＮＡチップを
用いて次のようにして、検査対象の注目部位のヌクレオ
チド配列を特定する。前述のようにＤＮＡプローブが固
定化されたＤＮＡチップに検査対象から抽出したＤＮＡ
やＲＮＡを添加する。

【００１８】検体であるＤＮＡ、ＲＮＡはあらかじめ増
殖操作が施され、更に、蛍光物質によるマーキングが施
されている。検体のＤＮＡチップへの添加は、通常液相
で行われる。添加液中の検体が、ＤＮＡチップに固定化
されたオリゴヌクレオチドの配列と相補関係にあるヌク
レオチド配列を有していると、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に含まれる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関係とな
っている。

【００１９】この後、ハイブリダイゼーションが生じな
かった検体を洗浄、除去する。これにより、検体中に含
まれるヌクレオチド配列と相補的な配列を有するオリゴ
ヌクレオチドが固定化されたスポットにのみ、検体に付
加された蛍光マーカーが残ることになる。マーキングに
は、蛍光物質の他に放射性同位元素を使用することもあ
る。

【００２０】このＤＮＡチップを一般にアレイリーダー
と呼ばれる装置で解析する。アレイリーダーは、各スポ
ットの蛍光強度を測定して表示する。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法
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法である。コンフォ
ーカルレーザー顕微鏡の光検出器には、光電子倍増管
や、アバランシェフォトダイオードが使用されている。

【００２１】照射した励起光に較べて蛍光は強度が数桁
小さいのが普通である。そのため、測定に際しては励起
光を除去して蛍光のみを測定する必要があり、このため
に、励起光と蛍光の波長の違いを利用してダイクロイッ
クミラーにより両者を分離する方法や、ビームスプリッ
タにより励起光と蛍光を空間的に分離する方法が使用さ
れる。

【００２２】蛍光強度の測定には、２波長における強度
を測定して、その相対値から、強度を推定する方法が一
般的に用いられる。ＣＣＤカメラを用いた方式では、励
起光にランプを使用し、広い面積を１度に励起し、そこ
から発生する蛍光を光学系により２次元像としてＣＣＤ
上に結合させて測定する。コンフォーカルレーザー顕微
鏡を使用する方式では、励起光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みを励起し、その部分
から発生する蛍光を測定する。

【００２３】従って、ＣＣＤカメラ方式では、約１cm²
程度の広い領域を１度に測定できるのに対して、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5〜30μm程度の領域しか測定できない。よって、ＤＮ
Ａチップまたは、コンフォーカルレーザー顕微鏡ヘッド
の２次元走査が必要となるため、スループットが低下す
る。この２次元走査は、基板の載ったステージをｘ−ｙ
２軸方向に走査することで実現する。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。

【００２４】一方、コンフォーカルレーザー顕微鏡を使
用した方法では、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
ノイズ光ゃフレアを取り除くことができ、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。

【００２５】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オリゴヌクレオチ
ド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、検体の遺伝子の注目部位のヌ
クレオチド配列を知ることができる。

【００２６】以上のようなＤＮＡプローブを用いた検出
法において、最近、ハイブリダイゼーションの検出に蛍
光偏光の異方性を用いる方法が提案された(S.Abe and
S.Toyonaga,"Detection of DNA hybridization with im
mobilized fluorescently labeled oligonucleotide pr
obes using fluorescence polarization technique",Pr
oc.SPIE,3602巻430頁、1999年参照)。

【００２７】以下上記の文献の記載に従ってこの方法の
概要を述べる。この方法では、ＤＮＡプローブ側を蛍光
マーカーでマーキングし、直線偏光の励起光によって発
生した蛍光の偏光の異方性比がハイブリダイゼーション
の有無によって異なることを利用してハイブリダイゼー
ションを検出する。異方性比ｒは、以下の式で定義さ
れる。 r=(Ip-Ic)/(Ip+2 Ic) (1) ここで、IpとIcは励起光によって発生した蛍光のうち、
それぞれ励起光の直線偏光と平行な成分と垂直な成分の
強度を表している。この異方性比ｒを検出するために、
この方法で用いられるＤＮＡチップ読み取りと装置とし
ては、例えば図４に示したものが使用される。

【００２８】光源２９を出射した励起光は、レンズ３０
を経て、偏光フィルター３１に入射し、直線偏光とされ
る。この直線偏光は、ダイクロイックミラー３２で反射
して対物レンズ３３を通り、あらかじめ、ハイブリダイ
ゼーション操作が行われたＤＮＡチップ１を照明する。

【００２９】励起光によって励起された蛍光は、対物レ
ンズ３３で集められ、ダイクロイックミラー３２を通過
し、偏光ビームスプリッタ３４に入射する。この偏光ビ
ームスプリッタ３４によって、励起された蛍光のうち電
界の振動方向が紙面に垂直な方向の成分(ｓ偏光)は反射
され、レンズ３５によって第１のＣＣＤカメラ３６に結
像する。また、励起された蛍光のうち、電界の振動方向
が紙面に平行な成分(ｐ偏光)は、この偏光ビームスプリ
ッタ３４を透過し、レンズ３７によって第２のＣＣＤカ
メラ３８上に結像する。それぞれのＣＣＤカメラ３６、
３８の画像は、画像処理装置３９に入力される。

【００３０】このような測定を、励起光の偏光方向を紙
面に垂直な方向と平行な方向に切り替えて２回行ない、
合計４枚の画像を得る。そして、この４枚の画像につい
て、対応する画素毎の受光量から、次式に従って画素値
を演算することによって、異方性比ｒ(x,y)画像を得て
出力装置４０に出力する。

【００３１】

【数１】

【００３２】

【数２】 r(x,y)={Ipp(x,y)-G*Ips(x,y)}/{Ipp(x,y)+2G*Ips(x,y)} … (3)

【００３３】ここで、Ips、Ippは、それぞれ励起光の偏
光がｐ偏光のときの第１と第２のＣＣＤのカメラ３６、
３８の画素の受光量であり、Iss、Ispは、それぞれ励起
光の偏光がｓ偏光の時の第１と第２のＣＣＤカメラ３
６、３８の画素の受光量である。

【００３４】ＤＮＡチップ１上でハイブリダイゼーショ
ンが生じていると、この異方性比が増大する。よっ
て、この異方性比の値を調べることによって、ハイブリ
ダイゼーションが生じたＤＮＡチップ上のスポットを知
ることができる。

【００３５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図４に
示すようなＤＮＡチップ読み取り装置では、ダイクロイ
ックミラー３２や偏光ビームスプリッタ３４等を使用し
た光学系を使用しているため、装置が大型化してしまう
という欠点があった。また、同じ測定点を測定するに際
し、光源をｐ偏光とｓ偏光に切り替えて測定を行う必要
があり、この切替は機械的に行われるので時間を要し、
全体としてスループットが低下してしまうという問題点
もあった。

【００３６】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
もので、以上説明したようなＤＮＡチップの読み取り装
置等に使用される、物体の偏光異方性を測定する装置を
小型化するとともに、迅速な測定を行えるようにし、も
って、小型でスループットの良いＤＮＡチップの読み取
り装置を提供することを課題とする。

【００３７】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
の第１の手段は、光源からの偏光をＤＮＡチップに照射
し、ＤＮＡチップから発生する蛍光の異方性を計測する
ことにより、当該ＤＮＡチップ上のハイブリダイゼーシ
ョンを測定するＤＮＡチップ読み取り装置であって、光
源と、基板に設けられた導波路と、当該導波路中に設け
られたオンオフ可能なＴＥ／ＴＭモード変換器と、対物
レンズと、前記導波路中に設けられたＴＥ／ＴＭモード
スプリッタと、２つの受光器を有してなり、光源からの
光は、前記導波路、ＴＥ／ＴＭモード変換器及び対物レ
ンズを介して被測定物体に照射され、ＤＮＡが発する蛍
光は、前記対物レンズを介して前記導波路に入射し、前
記導波路中で分岐されて、ＴＥ／ＴＭモードスプリッタ
によりＴＥモード光とＴＭモード光に分離され、それぞ
れ２つの受光器に受光されるようにされていることを特
徴とするＤＮＡチップ読み取り装置（請求項１）であ
る。

【００３８】本発明においては、基本的な光学装置とし
て、基板上に形成された導波路、ＴＥ／ＴＭモード変換
器、ＴＥ／ＴＭモードスプリッタを使用している。光源
から導波路に導入されたＴＥモード、又はＴＭモードの
偏光は、導波路を伝播してＴＥ／ＴＭモード変換器に入
る。このＴＥ／ＴＭモード変換器は、外部からの電圧操
作により、モード変換を行ったり行わなかったりするこ
とができ、これにより、ＴＥ／ＴＭモード変換器を出る
偏光を、電気信号による操作で、ＴＥモードとしたりＴ
Ｍモードとしたりすることができる。

【００３９】ＴＥ／ＴＭモード変換器を出た偏光は、再
び導波路を通ってその出射端より放出され、対物レンズ
を介してＤＮＡチップアレイを照明する。すると、前述
したように、ＤＮＡチップにおけるハイブリダイゼーシ
ョンに応じた偏光異方性を有する蛍光が、ＤＮＡチップ
から発生する。

【００４０】この蛍光は、対物レンズより、前記導波路
の出射端に集められる。このとき、ＤＮＡチップ面の像
が、前記導波路の出射端に結像するように、対物レンズ
を調整しておくことが好ましい。前記導波路の出射端に
集められた蛍光は、この導波路を逆方向に進行するが、
この導波路には途中に分岐点が設けられており、この蛍
光は２つに分岐され、その一方が受光器側に導かれる。

【００４１】受光器側の導波路の途中には、ＴＥ／ＴＭ
モードスプリッタが設けられているので、これにより、
蛍光はＴＥモードの光とＴＭモードの光に分離され、導
波路を介してそれぞれの受光器によって受光される。

【００４２】このような装置を用いて蛍光の異方性比ｒ
（x,y）を測定するには、まず、ＴＥ／ＴＭモード変換
器を動作させない状態で、２つの測定器によりＴＥモー
ドの蛍光とＴＭモードの蛍光の強さを測定し、次にＴＥ
／ＴＭモード変換器を動作させて、２つの測定器により
ＴＥモードの蛍光とＴＭモードの蛍光の強さを測定す
る。これにより、４つの測定量を得て、前記(2)、(3)式
により蛍光の異方性比ｒ（x,y）を算出する。そして、
測定位置を変えることにより、ＤＮＡチップの各点での
異方性比ｒ（x,y）の測定を行う。

【００４３】このような光学装置においては、基板上に
微細な導波路、ＴＥ／ＴＭモード変換器、ＴＥ／ＴＭモ
ードスプリッタがフォトリソグラフィ等を使用して形成
されているので、全体の構成を微小なものにすることが
できる。また、照射光源として利用する偏光のモードの
切替を電気的に行うことができるので、測定のスループ
ットが向上する。

【００４４】前記課題を解決するための第２の手段は、
光源からの偏光をＤＮＡチップに照射し、ＤＮＡチップ
から発生する蛍光の異方性を計測することにより、当該
ＤＮＡチップ上のハイブリダイゼーションを測定するＤ
ＮＡチップ読み取り装置であって、ＴＥモード光、ＴＭ
モード光をそれぞれ発する光源と、基板に設けられた導
波路と、対物レンズと、前記導波路中に設けられたＴＥ
／ＴＭモードスプリッタと、２つの受光器を有してな
り、２つの光源からの光路は、前記導波路中で１つの導
波路にまとめられ、各光源からの光は、まとめられた前
記１つの導波路から対物レンズを介して被測定物体に照
射され、ＤＮＡが発する蛍光は、前記対物レンズを介し
て前記導波路に入射し、前記導波路中で分岐されてＴＥ
／ＴＭモードスプリッタによりＴＥモード光とＴＭモー
ド光に分離され、それぞれ２つの受光器に受光されるよ
うにされていることを特徴とするＤＮＡチップ読み取り
装置（請求項２）である。

【００４５】前記第１の手段においては、光源を１つと
し、ＴＥ／ＴＭモード変換器によって照射光の偏光モー
ドを変えていたが、本手段においては、ＴＥ／ＴＭモー
ド変換器を用いず、異なるモードの偏光を発生する光源
を２つ用い、それぞれの光源からの光路を導波路中で合
流させている。そして、２つの光源を切り替えて使用す
ることにより、照射される偏光のモードを変える。その
他の作用効果については、前記第１の手段と同じである
ので、説明を省略する。

【００４６】前記課題を解決するための第３の手段は、
前記第１の手段又は第２の手段であって、光源及び受光
素子の少なくとも１つが前記基板の端面に配設されてい
ることを特徴とするもの（請求項３）である。

【００４７】基板上に形成された導波路に光源からの光
を導入したり、導波路からの光を受光器に導くのには、
従来は光ファイバー等を使用していた。本発明において
は、光源及び受光素子を前記基板の端面に配設している
ので、光ファイバー等の光伝達手段が不必要となり、全
体の構成がコンパクトとなる。

【００４８】前記課題を解決するための第４の手段は、
前記第１の手段又は第２の手段であって、光源及び受光
素子の少なくとも１つが、前記基板中に形成されている
ことを特徴とするもの（請求項４）である。

【００４９】本手段においては、リソグラフィー等によ
り、光源及び受光素子の少なくとも一つが、導波路やＴ
Ｅ／ＴＭモード変換器、ＴＥ／ＴＭモードスプリッタが
形成されている基板中に形成されている。よって、全体
の構成をさらにコンパクトなものとすることができる。

【００５０】前記課題を解決するための第５の手段は、
前記第１の手段から第４の手段のいずれかであって、前
記導波路と前記受光素子の間に光学フィルタが配設され
ていることを特徴とするもの（請求項５）である。

【００５１】本手段においては、導波路と前記受光素子
の間に光学フィルタが配設されているので、ＤＮＡチッ
プから反射されて受光器に達しようとする照射光（励起
光）と、ＤＮＡチップが発する蛍光を分離することがで
き、蛍光の検出性能を向上させることができる。

【００５２】前記課題を解決するための第６の手段は、
前記第１の手段から第５の手段のいずれかであって、前
記導波路の分岐点からＴＥ／ＴＭモードスプリッタに至
る導波路中に、前記導波路に入射した光源からの光の、
ＤＮＡチップからの反射光を反射するコリニアグレーテ
ィング波長フィルタ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）である。

【００５３】本手段においては、コリニアグレーティン
グ波長フィルタにより、ＤＮＡチップから反射された照
射光（励起光）を反射して通過させないようにすること
ができるので、ＤＮＡチップが発する蛍光の検出性能を
向上させることができる。

【００５４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態の例を
図を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態の１
例であるＤＮＡチップ読み取り装置の全体構成を示す概
要図である。図１において、１はＤＮＡチップ、２は試
料台、３はＸ軸ガイドレール、４はモータ、５はＸ軸ウ
ォームギア、６はＹ軸ウォームギア、７はモータ、８は
読み取りヘッド、９は制御装置、１０は表示装置であ
る。

【００５５】ＤＮＡチップ１は、試料台２の上に固定さ
れている。ＤＮＡチップ１は、蛍光マーキングを施され
たＤＮＡプローブを有しており、更に、検体によるハイ
ブリダイゼーション処理が終了している。試料台２の両
側には、Ｘ軸ガイドレール３およびモーター４に固定さ
れたＸ軸ウオームギヤ５がそれぞれ配設されている。Ｘ
軸ガイドレール３とX軸ウオームギヤ５をまたぐように
Ｙ軸ウオームギヤ６が配置され、このＹ軸ウオームギヤ
６はモーター７で駆動される。Ｙ軸ウオームギヤ６は、
Ｘ軸ウオームギヤ５により、Ｘ軸に沿って自由に動かす
ことができる。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。
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。

【００５６】制御装置９は、読み取りヘッド８がＤＮＡ
チップ１全体をＸ−Ｙ方向に走査するようにモーター
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１方向走査し、特定のＸ座標
を有する測定点のデータを採取する。その後、１ピッチ
分だけＸ座標を進め、今度は、先程と反対のＹ軸方向に
読み取りヘッド８を走査する。そして、これにより、新
しいＸ座標を有する測定点のデータを採取する。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。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Ｘ−Ｙ座標
とともに記録し、表示装置１０に表示する。

【００５７】図２に、図１に示された読み取りヘッド８
の構成の概要を示す。図２において、１はＤＮＡチッ
プ、１１は基板、１２は励起用光源、１３は光導波路、
１４、１５、１６は電極、１７は導波路分岐部、１８は
光導波路、１９は対物レンズ、２０は光導波路、２１は
導波路型ＴＥ／ＴＭモードスプリッタ、２２はアルミク
ラッド、２３、２４は光導波路、２５、２６は光検出
器、２７、２８は波長フィルタである。

【００５８】読み取りヘッド内には、光導波路１３、１
８、２０、２３、２４が表面に形成された基板１１が配
設されている。基板１１は、Ｘ-cutＺ軸伝搬のニオブ酸
リチウム（LiNbＯ₃）基板であり、幅10mm、高さ20mm、
厚さ１mmである。光導波路は、チタン拡散法にて作製さ
れている。

【００５９】基板１１の端面に結合された励起用光源１
２からの光は、光導波路１３を伝搬する。励起用光源１
２には、その出射光の偏光方向がＴＥモードで光導波路
１３を伝搬するように配置されたレーザーを使用してい
る。

【００６０】３つの電極１４、１５、１６はＴＥ／ＴＭ
モードコンバータとして働き、光導波路１３を伝搬する
ＴＥモード光をＴＭモード光に変換する働きをする。す
なわち、これらの電極間に電圧が印加されない場合は、
ＴＥモード光がそのまま通過し、電圧を印加するとＴＥ
モード光がＴＭモード光に変換される。電極１４は接地
電極であり、電極１５にはＴＥ／ＴＭモード変換用電圧
が印加される。また、電極１６には、ＴＥ／ＴＭモード
間複屈折補償のための電圧が印加される。（詳細につい
ては、例えば、社団法人電子情報通信学会、信学技報、
OQE93-146(1993-12)、P67-72に報告されている。）

【００６１】導波路１３を通った光は、導波路分岐部１
７を経て、光導波路１８の端面から出射する。導波路１
８の端面から出射した光は、対物レンズ１９を介してＤ
ＮＡチップ１上を照明する。ＤＮＡチップ１上のスポッ
トで発生した蛍光は、対物レンズ１９により、光導波路
１８の端面に集光され、光導波路１８中を伝搬する。

【００６２】光導波路１８を伝搬した蛍光の一部は、導
波路分岐部１７で分岐され、その一部が光導波路２０に
入射する。光導波路２０を伝搬した蛍光は、周知の導波
路型ＴＥ／ＴＭモードスプリッタ２１に入射する。ここ
で用いられている導波路型ＴＥ／ＴＭモードスプリッタ
２１は、アルミ装荷の方向性結合器型のものであり、ア
ルミクラッド２２が方向性結合器の片側に配置されてい
る。この導波路型ＴＥ／ＴＭモードスプリッタ２１によ
って、ＤＮＡチップ１からの蛍光のうちＴＥモード成分
は光導波路２３を伝搬し、ＴＭモード成分は、光導波路
２４を伝搬する。

【００６３】光導波路２３、２４のそれぞれの出射端に
は、光検出器２５、２６が配置されている。光検出器２
５、２６と光導波路２３、２４の間には、励起光の波長
の光を遮断し、ＤＮＡチップ１からの蛍光を透過する波
長フィルター２７、２８が配置されている。光検出器２
５、２６からの出力は、図１の制御装置９に入力され
る。

【００６４】図２におけるＴＥ／ＴＭモードコンバータ
部分の断面図を図３に示す。図３において、図２と同じ
構成要素には同じ符号を示し、その説明を省略する。１
１’はSiＯ₂薄膜である。

【００６５】ニオブ酸リチウム（LiNbＯ₃）基板１１の
表面にTiがドープされ、Ti:LiNbＯ₃からなる光導波路１
３が形成されている。基板１１の表面には、SiＯ₂薄膜
１１’からなる絶縁層が形成され、その上に電極１４、
１５、１６が形成されている。光導波路１３の幅は数μ
ｍ、深さは約１μｍである。よって、その端面から放出
される照射光は、点光源からの光とみなすことができ
る。

【００６６】図１における制御装置９は、電極１５、１
６に印加する電圧をオンオフすることにより、励起光の
偏光をＴＥモード又はＴＭモードに切り替える。制御装
置９は、あるＸ，Ｙ座標において、まず、励起光をＴＥ
モードにしてその時の２つの光検出器２５、２６の出力
を記録し、次に励起光をＴＭモードにして、２つの光検
出器２５、２６の出力を記録する。

【００６７】続いて、前述のように、モータ４、７を駆
動して次の走査点に読み取りヘッド８を移動して、その
点での出力を同様に記録する。これをＤＮＡチップ１の
全走査領域に対して行い、各Ｘ，Ｙ座標について、光検
出器２５、２６の出力を合計４つずつ記録する。これら
の４つの出力は、前述のIpp、Ips、Iss、Ispに対応して
おり、前述の式(2)、(3)を用いて各Ｘ，Ｙ座標における
蛍光の異方性比を求めることができる。制御装置９は、
このようにして求めた異方性比を測定点のＸ，Ｙ座標に
対応させて２次元の画像として表示装置１０に表示す
る。

【００６８】本実施の形態においては、読み取りヘッド
８が小さな基板１１上に集積化しているため、装置全体
を小型にすることができる。また、電気光学効果を用い
て偏光素子を物理的に回転させることなく励起光の偏光
方向を切り替えることができるため、高速な読み取りも
期待できる。

【００６９】なお、以上の実施の形態においては、基板
１１の材料として、ニオブ酸リチウムを使用していた
が、タンタル酸リチウム、ガリウム砒素、インジウムリ
ン等の材料を使用することができる。特に、ガリウム砒
素、インジウムリンを用いた場合には、励起光発生用の
光源及び光検出器を、リソグラフィ技術を用いて基板１
１中に組み込むことが可能になるので、読み取りヘッド
８の構成をさらに小型化にすることができる。

【００７０】また、以上の実施の形態においては、光検
出器２５、２６と光導波路２３、２４の間には、励起光
の波長の光を遮断し、ＤＮＡチップ１からの蛍光を透過
する波長フィルター２７、２８を設けていたが、この代
わりに、又はこれに加えて、励起光の波長の光を反射す
るコリニアグレーティング波長フィルタを、図２の光導
波路２０、又は光導波路２３、２４中に設けてもよい。

【００７１】さらに、以上の実施の形態においては、１
つの励起光用光源を使用し、ＴＥ／ＴＭモードコンバー
タによって、ＴＥモードの光とＴＭモードの光を切り替
えるようにしていたが、ＴＥモードの励起光を発する光
源と、ＴＭモードの励起光を発する光源の２つを使用
し、これらからの光をそれぞれ光導波路に入射させ、２
つの光導波路を結合させて１つの導波路とし、その端面
から放出される光を対物レンズに導くようにしてもよ
い。この場合は、２つの光源を切り替えて使用する。

【００７２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のうち請求
項１に係る発明及び請求項２に係る発明においては、全
体の構成を微小なものにすることができ、かつ測定のス
ループットを向上させることができる。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。

【００７３】請求項３に係る発明及び請求項４に係る発
明においては、光ファイバー等の光伝達手段が不必要と
なり、全体の構成がコンパクトとなる。請求項５に係る
発明及び請求項６に係る発明においては、蛍光の検出性
能を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の１例であるＤＮＡチップ
読み取り装置の全体構成を示す概要図である。

【図２】図１に示された読み取りヘッド８の構成の概要
を示す図である。

【図３】図２におけるＴＥ／ＴＭモードコンバータ部分
の断面を示す図である。

【図４】従来のＤＮＡチップ読み取り装置の構成の概要
を示す図である。

【符号の説明】

１…ＤＮＡチップ、２…試料台、３…Ｘ軸ガイドレー
ル、４…モータ、５…Ｘ軸ウォームギア、６…Ｙ軸ウォ
ームギア、７…モータ、８…読み取りヘッド、９…制御
装置、１０…表示装置、１１…基板、１１’…SiＯ₂薄
膜、１２…励起用光源、１３…光導波路、１４、１５、
１６…電極、１７…導波路分岐部、１８…光導波路、１
９…対物レンズ、２０…光導波路、２１…導波路型ＴＥ
／ＴＭモードスプリッタ、２２…アルミクラッド、２
３、２４…光導波路、２５、２６…光検出器、２７、２
８…波長フィルタ

───────────────────────────────────────────────────── 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）Ｇ０１Ｎ 31/22 １２１Ｇ０１Ｎ 33/53 Ｍ４Ｂ０２９ 33/53 33/566 33/566 35/02 Ｆ // Ｇ０１Ｎ 35/02 Ｃ１２Ｎ 15/00 ＡＦターム(参考） 2G042 AA01 BD12 BD20 CB03 FB05 FC06 FC07 HA07 2G043 AA04 BA16 CA03 EA01 FA02 GA08 GA10 GB03 GB11 HA01 HA05 HA07 HA09 HA15 JA02 KA07 KA09 LA03 NA02 2G058 CC09 GA02 GD06 2G065 AB09 AB10 AB11 AB19 BA04 BA09 BA18 BA32 BB04 BB14 BB15 BB26 BC11 BD01 CA04 DA08 4B024 AA20 HA19 4B029 AA23

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源からの偏光をＤＮＡチップに照射
し、ＤＮＡチップから発生する蛍光の異方性を計測する
ことにより、当該ＤＮＡチップ上のハイブリダイゼーシ
ョンを測定するＤＮＡチップ読み取り装置であって、光
源と、基板に設けられた導波路と、当該導波路中に設け
られたオンオフ可能なＴＥ／ＴＭモード変換器と、対物
レンズと、前記導波路中に設けられたＴＥ／ＴＭモード
スプリッタと、２つの受光器を有してなり、光源からの
光は、前記導波路、ＴＥ／ＴＭモード変換器及び対物レ
ンズを介して被測定物体に照射され、ＤＮＡが発する蛍
光は、前記対物レンズを介して前記導波路に入射し、前
記導波路中で分岐されて、ＴＥ／ＴＭモードスプリッタ
によりＴＥモード光とＴＭモード光に分離され、それぞ
れ２つの受光器に受光されるようにされていることを特
徴とするＤＮＡチップ読み取り装置。
【請求項２】光源からの偏光をＤＮＡチップに照射
し、ＤＮＡチップから発生する蛍光の異方性を計測する
ことにより、当該ＤＮＡチップ上のハイブリダイゼーシ
ョンを測定するＤＮＡチップ読み取り装置であって、Ｔ
Ｅモード光、ＴＭモード光をそれぞれ発する光源と、基
板に設けられた導波路と、対物レンズと、前記導波路中
に設けられたＴＥ／ＴＭモードスプリッタと、２つの受
光器を有してなり、２つの光源からの光路は、前記導波
路中で１つの導波路にまとめられ、各光源からの光は、
まとめられた前記１つの導波路から対物レンズを介して
被測定物体に照射され、ＤＮＡが発する蛍光は、前記対
物レンズを介して前記導波路に入射し、前記導波路中で
分岐されてＴＥ／ＴＭモードスプリッタによりＴＥモー
ド光とＴＭモード光に分離され、それぞれ２つの受光器
に受光されるようにされていることを特徴とするＤＮＡ
チップ読み取り装置。
【請求項３】請求項１又は請求項２に記載のＤＮＡチ
ップ読み取り装置であって、光源及び受光素子の少なく
とも１つが前記基板の端面に配設されていることを特徴
とするＤＮＡチップ読み取り装置。
【請求項４】請求項１又は請求項２に記載のＤＮＡチ
ップ読み取り装置であって、光源及び受光素子の少なく
とも１つが、前記基板中に形成されていることを特徴と
するＤＮＡチップ読み取り装置。
【請求項５】請求項１から請求項４のうちいずれか１
項に記載のＤＮＡチップ読み取り装置であって、前記導
波路と前記受光素子の間に光学フィルタが配設されてい
ることを特徴とするＤＮＡチップ読み取り装置。
【請求項６】請求項１から請求項５のうちいずれか１
項に記載のＤＮＡチップ読み取り装置であって、前記導
波路の分岐点からＴＥ／ＴＭモードスプリッタに至る導
波路中に、前記導波路に入射した光源からの光の、ＤＮ
Ａチップからの反射光を反射するコリニアグレーティン
グ波長フィルタを有することを特徴とするＤＮＡチップ
読み取り装置。