JP2001527214A - 多波長試料分析用透過格子ビーム・スプリッタを有する検出器 - Google Patents
多波長試料分析用透過格子ビーム・スプリッタを有する検出器Info
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Abstract
Description
器システムに関する。特に、本発明は、1つ以上の試料からの入射蛍光、または
1つまたは複数の試料からその他の方法で放出された入射光を分離し、複数の次
数の回折帯域および波長を得る透過格子ビーム・スプリッタを使用する検出器シ
ステムに関する。
によって蛍光から離散帯域を得て、その後、結果として得られた出力をさらに処
理し比較する必要がある。このような方法は、ヌクレオチドの識別に使用できる
データの質および量がかなり制限される。
ing Using Capillary Electrophoresis」(Nucleic Acids Research、第19巻、 第18号、4955ページないし4962ページ)に記載されたような多波長を用いる方法
は、分光計を使用して光を複数の帯域に分離し、その後これらの帯域を分析する
。しかし、この文献の図1に示された、使用される分光計および関連機器は共に
、高価で大型である。この図で使用されている分光計は通常、入射光を空間的に
制限する入口スリットと、スリットから入射した光を平行光線に変換するように
入口スリットの位置に一致した焦点を結ぶコリメータ・レンズと、コリメータ・
レンズからの平行光線を回折させてスペクトルを生成する反射回折格子と、回折
させた平行光線をCCD結像平面上に焦点を結ぶ結像レンズとを備える。したがっ て、この文献の図1に示す装置の構造は高価で大型であり、光スループットが低
い。
ープットが高い検出器システムを提供する。これは、毛管と、検出器カメラに関
連する検出器画素のアレイとの間に配置された透過格子ビーム・スプリッタ(「
TGBS」)を使用する本発明による装置によって実現される。TGBSは、毛管を通っ
て少なくとも0次領域および1次領域に移動した蛍光源からの蛍光を空間的に分
割する。少なくとも1次領域は、アレイ内の多数の画素にわたる波長の関数とし
て空間的に広がっている。これによって、光スループットの高い小型で安価なシ
ステムが得られる。
する画素の検出された強度を使用して、必要な検出を行うことができる。
100を示す。図1のTGBSは、入射光106が入射する入射表面を備える第1の面102 と、入射光が通過する実質的に透明な本体108と、分割された光が出射する第2 の面110とを有している。図1でわかるように、第2の面110は、幅dが複数の溝
112を備えており、各溝は、対応する溝の壁を形成する傾斜した出口表面114を備
えている。
分116cを含んでいる。
れる実質的に透明なその他の適切な材料で形成される。TGBSの動作は、ニューヨ
ーク州ロチェスターのMilton Roy CompanyのRichardson Grating Laboratory Di
visionから発行されている「Transmission Gratings」と題する技術資料TN35-51
に記載されている。
平面から互いに平行に延びている1列の毛管22を照射するために使用される。毛
管は、蛍光源で標識されたDNA分子が毛管の電気泳動中に移動するゲルを含んで いる。毛管22は、PolyMicro Technologies社から市販されており、長さが約75cm
であり、内径が75μmであり、外径が150μmないし250μmである。
空冷アルゴン・イオン・レーザである。このレーザは488nmの単色光24を出力す る。あるいは、たとえば460nmないし514nmの複数の離散波長を放出するアルゴン
・イオン・レーザを使用することができる。いずれの場合も、レーザ光24は一列
の毛管22上に焦点が結ばれる。図2aでわかるように、レーザ光は、一列の毛管22
で形成された平面に対して垂直ではなく鋭角に向けられる。この角度は平面に対
して10度ないし30度程度であり、したがって法線に対して60度ないし80度である
ことが好ましい。それぞれの外径が約200μmである一列の96本の毛管の場合、レ
ーザ光24がすべての毛管をカバーするには約2cmの総幅を照射する必要がある。
するメモリ記憶装置(図示せず)を有するパーソナル・コンピュータ34などの処
理装置に、カメラ30内の検出器アレイ31から、検出された強度が送られる。入射
光26は、検出器アレイ31に到達する前に、追加のレンズおよび分光フィルタ素子
を通過する。好適な実施例では、光はまず、28mmのf 1.4 Nikonレンズ32を通過 する。その後で、光はフィルタ35も通過し、次に検出器アレイ31に入射する。フ
ィルタ35の目的は、蛍光にフィルタを通過させ、それに対して、レーザ20から放
出される波長など、蛍光以外の波長の光を減衰させることである。使用できるフ
ィルタの例には、ミシガン州アナーバーのKaiser Optical Systems社から市販さ
れているRamanノッチ・フィルタと、マサチューセッツ州ミルフォードのSpider
& Hoyer Inc.から市販されている515nmの遮断波長を有するロングパス・フィル タが含まれる。一般に、蛍光が必要な波長を通過させ、蛍光が不必要な波長を遮
断するフィルタを使用することができる。たとえば、レーザ20からのレーザ光24
の波長を遮断することができる。
格子ビーム・スプリッタ38(「TGBS」)を通過する。好適な実施例では、TGBSは
、ニュージャージー州バーリントンのEdmund Scientific社から市販されている モデル#P46,068である。この特定のTGBSは約1" (約2.54cm)x 1"である。ただ し、他の寸法および形状を使用することができる。図2aに示されているように、
TGBS、レンズ、およびフィルタはすべてカメラ30に取り付けられており、したが
って独立した光学素子は不要である。
す。このような場合、TGBSをカメラ30に組み込むか、あるいは何らかの方法でレ
ンズ32に固定することができる。この別の実施例では、毛管22とカメラ・レンズ
との間の間隔は約3cmであり、カメラ・レンズとTGBSとの間の間隔は約0.5cmであ
り、TGBSと検出器アレイ31との間の間隔は約4cmである。当業者に周知であるよ うに、これらの間隔はレンズの焦点距離および光学素子の厚さに依存する。TGBS
が通常、ほぼ平行な入射光、またはコリメートされた入射光を必要とすることに
留意されたい。したがって、図2bの実施例では、レンズ32は、TGBS38に入射する
光がほぼ平行になるように焦点距離が長い。
ら手前方向の次元での)幅が約100μmないし500μmに設定され、かつ毛管列22の
幅に沿って延びるのに十分な長さに設定される。これによって、各毛管内の試料
は蛍光を発し、直線状の一連の蛍光スポットが生じる。カメラ・レンズはこの直
線状の一連の蛍光スポットをカメラの検出器アレイ上に焦点を結ばせる。
ら収集され、この光がCCD上に焦点が結ばれる。図2aと図2bの両方の実施例にお いて、光はTGBS内で分散され、1次成分が最大の強度を有し他の次数よりも優位
である様々な次数のスペクトル成分を含んだ状態で出射する。このため、入口ス
リットおよびコリメータ・レンズを有する従来の蛍光測定器よりも高い光収集効
率が実現される。所与の毛管22aからの分離された蛍光は、アレイ31の特定の画 素列39によって検出され、0次成分が第1の画素39aによって検出され、1次成 分が、第1の画素から間隔を置いて配置された複数の第2の画素39bのうちの少 なくとも1つによって検出される。
場合、TGBSは省略されている。TGBSがない場合、各毛管は検出器アレイ31上に単
一の蛍光スポット50を形成し、すべての毛管によって1行52の離散蛍光スポット
が形成される。検出器アレイ31上には他には何も現われない。
BSをシステムに挿入すると、毛管22からの蛍光が、各帯域が特定の次数を示す複
数の帯域に分割される。したがって、図3bは、0次帯域52、1次帯域54、および
2次帯域56の構成を示している。これらの帯域はそれぞれ、検出器アレイ上に結
像されたときに、垂直方向で複数の画素行を占有し、様々な毛管がそれぞれの異
なる列上に結像され、各毛管が少なくとも1つの画素列上に結像される。0次帯
域はすべての波長の蛍光を収集し、この帯域の成分は厳密に焦点が結ばれ、毛管
に対応する各列ごとに1つまたは2つの画素行にわたって延びる。これに対して
、1次帯域および2次帯域の成分は分散され、各毛管に対応する列に沿って複数
の画素行にわたって延びる。
からの0次帯域が同じ画素行上に結像され、それに対応する1次帯域がほとんど
同じ列上に結像されることが好ましい。この配置によって、その後の処理の際に
、検知された画像内の画素同士の間のスキューを補正する必要がなくなる。しか
し、この場合、通常、毛管列に対してカメラ、したがってカメラ内の検出器アレ
イを回転させることが必要になる。
れたい。言い換えると、優勢な次数の透過率は、優勢でない次数の透過率をかな
り上回ることができる。したがって、主として0次成分および1次成分を通過さ
せ、それに対して-1次およびその他の次数をかなり減衰させるTGBSを製造するこ
とができる。好適な実施例で使用されるP46068モデルTGBSは、0次成分および1
次成分を優勢にする装置である。
アレイの平面から適切な間隔を置いて配置することによって、画素幅が約25μm の検出器アレイ上で単一の毛管の0次成分と1次成分を容易に分離することがで
きる。
器アレイに入射する、単一の毛管によって散乱させられた0次成分と1次成分と
2次成分との間の相対的な分離間隔と、0次成分、1次成分、および2次成分の
広がりとを示している。レーザ光は、検出器アレイ上の2x2個の画素の領域を占 有する小さなスポットに焦点が結ばれる。したがって、この画像は検出器のシス
テム応答を示す。0次成分、1次成分、および2次成分の強度分布はそれぞれ、
約1、7、および0.6である。
度を1.0に正規化し、これらのピークを同じ位置に配置した後の、各ピークの拡 大図を示す。この図は、単色光に対する各ピークごとの広がりがほとんど同じで
あることを示している。特に、1画素検出器解像度が与えられた場合、2分の1
の正規化最大強度での各ピークの幅はかなり類似している。したがって、本発明
の検出器の画像分散は、単色光を使用した0次成分、1次成分、および2次成分
では無視することができる。
染料、フルオレセイン(λmax = 530nm)およびナイル・ブルー(λmax = 625nm
)で着色された毛管に照射した場合の出力を示している。0次成分と1次成分の
両方のピークが現われ、2つの染料のそれぞれについて異なる1次成分ピークが
現われている。0次成分では、検出器アレイ内の1つまたは2つの画素内に蛍光
のすべての波長が収まっている。それに対して、1次成分では、2つの染料から
の蛍光が複数の画素にわたって分散している。
と、複数の画素31bを備える検出器アレイ31の1画素列31aのみが示されている。
しかし、TGBSと画素列31aとの間にレンズ32を介在させることができ、あるいは 上述のように、この時点で入射光26がすでにカメラ・レンズ32を通過していても
よい。
に、0次成分と1次成分は、画素列31aに入射したときに空間的に分離される。 この分離により、この後で、特定の蛍光源、したがって対応するヌクレオチドを
識別する分析を行う際に0次成分と1次成分の両方の透過入射光成分の強度を使
用することができる。
レオチドはそれぞれ、通常、重なり合った波長で蛍光を発する4つの蛍光源のう
ちの1つで標識される。したがって、図6aで、検出された1次光41は、41a、41b
、41c、および41dとして指定された4つの側帯を有しており、各側帯は、4つの
蛍光源のうちの特定の1つが優勢を占める画素列31aに沿った領域に対応する
。この場合、画素番号が大きいほど、波長が長くなっている。図6bで、曲線42a 、42b、42c、および42dは、4つの蛍光源の蛍光発光スペクトルに対応しており 、各スペクトルは、図6aの4つの画素領域41a、41b、41c、および41dのうちの対
応する領域で優勢であることが示されている。
るより多くの画素とを含む、いくつかの連続する画素に関するデータを得ること
ができる。これによって、後で分析を行い任意の所与の時間にどの蛍光源が存在
するかを判定する際にある程度の柔軟性が得られる。
70は0次成分に対応し、画素70a、70b、70c、70d、および70eは1次成分の様々 な部分に対応している。
えられており、それぞれ、特定のヌクレオチド、すなわち、グアニン(「G」)
、アデノシン(「A」)、チミン(「T」)、およびシトシン(「C」)を標識
する。
エネルギーを受けない。したがって、画素70bのエネルギーはGまたはAが存在 することを示す。
りもいくらか少ないエネルギーをAから受け、かなり少ないエネルギーをGから
受ける。したがって、画素70dのエネルギーは、TまたはCの存在を示し、それ よりも少ない割合でAの存在を示し、ずっと少ない割合でGの存在を示す。
Gからのエネルギーはさらに少ない。したがって、画素70eに強いエネルギーが ある場合はCの存在を示す。
電気泳動が起こったときに連続的に監視される。毛管に沿った移動によって通常
、1つのヌクレオチドが2秒ないし4秒おきに移動し、検出器アレイは2分の1
秒程度おきにサンプリングされる。したがって、これらの画素のそれぞれの信号
エネルギーの時系列を使用して、毛管の窓領域を通過するヌクレオチドの配列を
得ることができる。
れ、各ヌクレオチドにより、各フレーム番号ごとに1次画素同士の間に1つまた
は複数のピークが生じ、各フレーム番号が、ヌクレオチドが予期される位置に対
応する合成時系列を示している。画素70は、0次時系列に対応し、ヌクレオチド
の存在を検出するたびにピークを示す。これに対して、他の画素70aないし70eの
時系列は、各タイム・フレームごと画素同士の間で正規化されており、ピークの
ない領域を示し、このタイム・フレームの間に存在するヌクレオチドに応じて様
々な信号強度を示す。
時系列の場合、画素70(0次)に信号が存在する場合は、ヌクレオチドが存在す
ることを示す。同様に、各タイム・フレームごとに、画素70aに強い信号がある 場合はGの存在を示し、画素70bと画素70cの両方に強い信号がある場合はAの存
在を示し、画素70cと画素70dの両方に強い信号がある場合はTの存在を示し、画
素70eに強い信号がある場合はCの存在を示す。
のタイム・フレームの0次値によって画素70aないし70eの時系列データを正規化
することができ、したがって、各タイム・フレームごとに、複数の画素における
信号ピークの同時発生を検出するのではなく、このように大域的に正規化された
値同士を直接比較することができる。
ることもできる。したがって、適切に重み付けされた0次成分および1次成分を
用いた場合、場合によっては、選択された画素の検出された信号強度を、ルック
アップテーブルを使用することによって対数に変換し、次に、ヌクレオチドを識
別できるようにこれらの対数を互いに減算することができる。この手法は、専用
ハードウェアを使用して検出方式を実施する場合に特に有用である。
れたい。新しい1組の蛍光源が与えられた場合、周知の方法を所定の励起波長と
共に使用して、これらの蛍光源の空間スペクトル特性を得、次に検出方式に用い
る適切な画素を指定することができる。本発明の検出方式が、未知数(4つのヌ
クレオチド)よりも多くの測定値(6つ)を得る方式であり、確立されていない
システムの解を必要とする周知の比率を示す方法とは異なることにも留意された
い。実際、本発明の検出方式は、4つの蛍光源にも制限されない。というのは、
1次画素成分の適切なサンプリングが行われた場合、第1の数のこのような蛍光
源を使用して第2の数のヌクレオチドを検出することができるからである。
、電気泳動中の特定の瞬間の、実験で得られた0次成分および1次成分を示して
いる。これらの図を参照するとわかるように、0次帯域は、ディスプレイの縦軸
に沿ってそれほど延びていない小さな成分を含んでいる。一方、1次帯域の成分
はこの方向に延びており、1次データがこの次元に沿って広がっていることを示
している。しかし、0次成分と1次成分が重なり合わないことに留意されたい。
に適した相対強度を有する0次成分および1次成分の透過蛍光パターンを同時に
得る。0次光は、1本または複数の毛管の検出窓を通過した目標蛍光源からの分
散されない蛍光の波長全体を含む。すべての毛管の0次光が、1つの検出器チャ
ネルのみによって収集される。通常、このチャネルはCCDアレイ内の少なくとも 1つの画素行を含み、各行の画素の数は少なくとも毛管の数に対応する。これに
対して、1次光はいくつかの検出器チャネル(通常はいくつかの画素行)にわた
って分散される。様々な検出器チャネル(すなわち、好適な実施例ではCCD行) は、蛍光のそれぞれの異なる波長部分を表し、個別に収集される。0次データ(
入射蛍光全体)と1次データ(入射蛍光の一部)の両方が得られるので、その後
のデータ分析は柔軟性に富んだものになる。
る3つの利点を有している。第1に、TGBSベースの検出器の光スループットはカ
メラ・レンズによってのみ決定されるので、本発明の検出器は分光写真器よりも
高い入射光収集効率を有する。この点は、通常は0次光エネルギーを保持するよ
うに構成されない反射格子システムを使用する分光写真器と異なる。第2に、TG
BSを使用する検出器では、分光写真器につきものの大きなサイズおよび高いコス
トを抑えることができ、それによって、より高い柔軟性および信頼性を有する安
価で小型のシステムが得られる。第3に、TGBSベースの検出器システムの画像の
歪みは、スリットおよびコリメート光学系を有する分光写真器から得られる出力
と比べて無視できる程度のものである。
らに限定されないことに留意されたい。たとえば、複合レンズを使用することが
でき、レンズとTGBSとの間、あるいは場合によってはレンズとTGBSの両方の前方
にフィルタを配置することができる。試料が毛管内にある間ではなく、移動して
毛管から出た後に、レーザによって試料を照射することもできる。したがって、
当業者には、本発明の精神の範囲内であり、その範囲が特許請求の範囲によって
定義されるこれらの好適な実施例の変形例が想到し得る。
を示す図である。bは、透過格子ビーム・スプリッタを有する検出器による検出
器アレイ出力を示す図である。
ある。
。
である。
図である。
データを示す図である。
Claims (8)
- 【請求項1】 互いに間隔を置いて配置された第1の数の蛍光源からの蛍光
を同時に検知する光検出器であって、 各画素が、それに入射する光の強度を測定するように配置されており、前記検
出器アレイ内の列の数が前記第1の数を超える、複数の画素行および画素列を備
える2次元検出器アレイと、 前記検出器アレイと前記蛍光源との間に配置され、少なくとも1つの所定の波
長が前記検出器アレイに到達するのを遮断するために選択され配置されたフィル
タと、 前記検出器アレイと前記蛍光源との間に配置され、前記蛍光を前記検出器アレ
イ上に焦点を結ばせるために選択され配置されたレンズと、 前記検出器アレイと前記蛍光源との間に配置され、前記蛍光源からの前記蛍光
を少なくとも0次成分および1次成分に分離する透過格子ビーム・スプリッタ(
TGBS)とを備え、 各蛍光源からの前記0次成分が、対応する列に属する少なくとも1つの第1の
画素に入射し、前記各蛍光源からの前記1次光成分が、複数の第2の画素に入射
し、前記第2の画素がそれぞれ、この第2の画素に入射した1次光成分の波長を
示す前記少なくとも1つの第1の画素からの距離を有することを特徴とする光検
出器。 - 【請求項2】 前記各蛍光源から前記1次光成分を入射する前記複数の第2
の画素も前記対応する列に属することを特徴とする請求項1記載の検出器。 - 【請求項3】 TGBSがレンズと検出器アレイとの間に配置されることを特徴
とする請求項2記載の検出器。 - 【請求項4】 レンズがTGBSと検出器アレイとの間に配置されることを特徴
とする請求項2記載の検出器。 - 【請求項5】 互いに平行に配置された対応する数の毛管に沿って移動した
第1の数の蛍光源を識別する装置であって、 少なくとも1つの所定の波長を有し、前記蛍光源が蛍光を放出する光ビームを
前記蛍光源の方向に放出するために配置された光源と、 前記蛍光を同時に検知する光検出器とを備え、前記光検出器は、各画素が、そ
れに入射する光の強度を測定するために配置されており、前記検出器アレイ内の
列の数が前記第1の数を超える、複数の画素行および画素列を備える2次元検出
器アレイと、 前記検出器アレイと前記蛍光源との間に配置され、少なくとも1つの所定の
波長が前記検出器アレイに到達するのを遮断するために選択され配置されたフィ
ルタと、 前記検出器アレイと前記蛍光源との間に配置され、前記蛍光を前記検出器ア
レイ上に焦点を結ばせるために選択され配置されたレンズと、 前記検出器アレイと前記蛍光源との間に配置され、前記蛍光源からの前記蛍
光を少なくとも0次成分および1次成分に分離する透過格子ビーム・スプリッタ
(TGBS)とを備え、 各蛍光源からの前記0次成分が、対応する列に属する少なくとも1つの第1
の画素に入射し、前記各蛍光源からの前記1次光成分が、複数の第2の画素に入
射し、前記第2の画素がそれぞれ、この第2の画素に入射した1次光成分の波長
を示す前記少なくとも1つの第1の画素からの距離を有し、前記装置がさらに、
前記画素に入射した0次光成分および1次光成分を示す情報を受け取り処理する
ために前記光検出器に接続されたコンピュータ手段を備えることを特徴とする装
置。 - 【請求項6】 前記各蛍光源から前記1次光成分を入射する前記複数の第2
の画素も前記対応する列に属することを特徴とする請求項5記載の装置。 - 【請求項7】 互いに平行に配置された対応する数の毛管に沿って移動した
第1の数の蛍光源を識別する装置であって、 少なくとも1つの所定の波長を有し、前記蛍光源が蛍光を放出する光ビームを
前記蛍光源の方向に放出するために配置された光源と、 前記蛍光を同時に検知する光検出器とを備え、前記光検出器は、各画素が、そ
れに入射する光の強度を測定するために配置されており、前記検出器アレイ内の
列の数が前記第1の数を超える、複数の画素行および画素列を備える2次元検出
器アレイと、 前記検出器アレイと前記蛍光源との間に配置され、少なくとも1つの所定の
波長が前記検出器アレイに到達するのを遮断するために選択され配置されたフィ
ルタと、 前記検出器アレイと前記蛍光源との間に配置され、前記蛍光を前記検出器ア
レイ上に焦点を結ばせるために選択され配置されたレンズと、 前記検出器アレイと前記蛍光源との間に配置され、前記蛍光源からの前記蛍
光を少なくとも0次成分および1次成分に分離する透過格子ビーム・スプリッタ
(TGBS)とを備え、 各蛍光源からの少なくとも前記1次成分が、前記検出器アレイ内の連続する
複数の画素に入射し、前記装置がさらに、前記連続する複数の画素に入射した前
記1次光成分を示す情報を受け取り処理するように前記光検出器に接続されたコ
ンピュータ手段を備えることを特徴とする装置。 - 【請求項8】 前記各蛍光源から前記1次光成分を入射する前記連続する画
素が、前記検出器アレイ内の同じ列に属することを特徴とする請求項7記載の装
置。
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