JP2002542479A - バイオポリマー配列の画像形成並びに解析をするための方法とデバイス - Google Patents

バイオポリマー配列の画像形成並びに解析をするための方法とデバイス

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JP2002542479A
JP2002542479A JP2000612730A JP2000612730A JP2002542479A JP 2002542479 A JP2002542479 A JP 2002542479A JP 2000612730 A JP2000612730 A JP 2000612730A JP 2000612730 A JP2000612730 A JP 2000612730A JP 2002542479 A JP2002542479 A JP 2002542479A
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biopolymer
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クルグ,アンツ
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アスペル、オユ
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    • G01N21/63Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/645Specially adapted constructive features of fluorimeters
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Abstract

(57)【要約】 バイオポリマー配列の画像形成に内部蛍光映像全体が使われる。光ビーム(2)が固体支持体(1)にある角度で導かれて、その固体支持体内で内部映像全体が生じる。光のある部分はガラス内面で反射せずに、エバネッセント波としてガラスから出てくる。それは、支持体の面に隣接して取り付けられているバイオポリマー分子に関連した蛍光を励起する。このように誘起された蛍光は感光エレメント(7)に導かれて、支持体面に取り付けられている蛍光分子に関する情報を生じる。この蛍光信号検出は短時間で行えるもので、蛍光チャネル当たり約10秒である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は分子生物学、分子診断及びレーザ光学の分野のものである。本発明は
更に、内部蛍光映像全体を用いて、二次元配列上の蛍光標識を付けたバイオポリ
マー分子(biopolymer molecules)の平行検出及び解析を
する方法及び蛍光検出器に関する。
【0002】
【従来の技術】
二次元構造をした固体透明支持体(ガラス)上に、予め作られた短いバイオポ
リマー(核酸やペプチドなど)を化学的に結合させている配列構造は、例えば結
合したヌクレオチドポリマー配列(bound nucleotide pol
ymer array)にサンプル標的になる核酸を加える(ハイブリッド形成
)ことで、診断目的に用いることができる。その標的サンプルはハイブリッド形
成する(hybridization)前に蛍光体で標識を付けることができる
が、その標識を付けることは走査の直ぐ前に行われる。核酸配列の画像形成並び
に解析には種々の物理原理に基づいた装置が使われていて、それらは主に2つの
カテゴリーに分けられる。その一は、検出器であり、その二は同焦点顕微鏡に基
づいた走査器である。
【0003】 本発明で述べているデバイス(device)、内部映像全体を基にした蛍光
検出器に最も近いモデルはヴィシス社(米国イリノイ州ダウナーズグローブ)製
造のゼノセンサーTMと呼ばれるCCDカメラを基にしたデバイスである。
【0004】 CCDカメラを基にしたデバイスゼノセンサーTMは以下のように機能する。ガ
ラス支持体に取り付けられたDNAプローブとハイブリッドになっている蛍光標
識の付けられた標的分子は、DNA配列(図1)を横切る光で励起されて検出さ
れる。その光はキセノン球で生じて、必要とするスペクトル帯を持つようにフィ
ルターを通される。蛍光体から放出された光は放出フィルターを通ってフィルタ
ーされて、光学システムを介して冷却された高分解能CCDカメラに導かれる。
得られた信号はコンピュータで処理される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
核酸配列は、透明な固体支持体上に取り付けられた高密度で二次元構造をした
核酸分子である。その配列上に生じる生物学的反応の結果を観察することは、(
スペクトル全体のうち励起波長帯をフィルターしなければならないので、蛍光を
励起するのに横切って通る光を用いることは不十分なので)低感度で低選択的で
あり、また(走査することは一般に時間のかかることであるために)検出速度の
ために問題のあることである。違った蛍光体を持っている4つの違ったジデオキ
シヌクレオチド(dideoxynucleotide)すなわちターミネータ
(terminator)が反応に同時に使われてる配列されたプライマーエク
ステンション反応[primer extension reaction](
APEX)の場合のように、核酸配列の画像形成をするのに4つのスペクトル領
域で働く検出器が必要である。そのような検出器は複合反応の結果を組み合わせ
ることができるように、各蛍光体を最大限に励起するとともに信号を捕捉できる
必要がある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上で述べた問題の解決として、本発明は(標的DNAの順序を決める場合のよ
うに)バイオポリマー配列の画像形成をするために蛍光内部映像全体[tota
l internal reflection fluorescence](
図2)を含んでいる方法及び4つの違ったスペクトル帯での核酸配列の反応結果
について迅速で正確な評価を行うことのできる蛍光検出器のデバイスを提案する
【0007】 本発明の目的は、バイオポリマー配列すなわち「チップ」に生じる生物学的反
応の解析を行うデバイスと方法を提供することである。核酸配列は主に2つのや
り方で用いることができる。第一に、ハイブリッド形成だけを基にした配列の場
合に、解析すべき蛍光標識付けをした標的は、配列に固定された遺伝上の物質と
ハイブリッドになっている。その標識は拡張の途上で取り付けられたものである
。ダブルストランド核酸の窒素基の間にある水素結合のエネルギーは限られたも
のなので、この種のハイブリッド形成を基にした反応メカニズムは特に目立つも
のではなく、信号とノイズ間に明確な区別の出来るものではない。
【0008】 他の可能性は酵素反応を、固定されたオリゴヌクレオチドプローブと標的核酸
とのハイブリッド形成に加える場合である。例としてポリメラーゼで仲介された
エクステンションがあり、そこではすべての固定されたオリゴヌクレオチドは蛍
光標識付けをしたヌクレオチドで延ばされている。そのDNAポリメラーゼは標
識DNAの遺伝情報としてヌクレオチドを付け加えている。
【0009】 配列したDNAエクステンション反応は、DNAポリメラーゼの基板として、
蛍光体で標識付けをしたジデオキシヌクレオチドを用いる。4つの違った標識を
付けたジデオキシヌクレオチドが同時に用いられているが、ただ一つがプローブ
と関連していて、それは標的核酸の当初の構造に相当するものである。
【0010】 前記酵素メカニズムは、ハイブリッド形成だけに基づいた反応に比べて利点を
持っている。
【0011】 1. 固定されたプローブと標的間のハイブリッド形成が完全なものでないと
きには、そのポリメラーゼは構造を認識するのではないだけでなく、反応も行わ
ない。
【0012】 2. そのハイブリッド形成が完全なものであれば、酵素はプローブにあるジ
デオキシヌクレオチドと結合して安定な共有結合となる。このことのために反応
後に配列を洗浄して、特別に結合していない生物学的物質を捨てることができる
。このようにして極めて改善された信号/ノイズ比が得られるので、このシステ
ムで異型接合突然変異を検出できる。
【0013】 本発明で述べる方法はバイオポリマー配列の解析に用いることができる。既知
波長の光ビーム(レーザビーム)を、ビームで内部映像全体を生じるような角度
で支持体(ガラス)の端部に入射する。その支持体は導波路(図2)となる。光
のある部分はガラスの内部で反射せずにエバネッセント波(evanescen
t wave)としてガラスから漏れる。その強度は指数的に減衰するが1/4
波長の距離では十分な強さを持っている。この距離はガラスに直接付いているプ
ローブにある蛍光体を励起するのに十分である。4つの違ったヌクレオチド/標
識のあるポリメラーゼエクステンションの場合のように、蛍光標識を最大に励起
するのに、4つの違った波長を持ったレーザビームが用いられる。放出される光
はバックグラウンド光を無視できるように各々の放出フィルターを通して集めら
れて、CCDカメラに光学システム(目的物)を通して焦点を結ぶ。使われてい
るカメラは冷却されているので、画像形成時間(imaging time)が
短く、各ヌクレオチド/蛍光チャネル当たり約10秒である。
【0014】
【発明の実施の形態】
本発明を図面を参照しながら説明すると、図2から4はバイオポリマー配列の
画像形成(imaging)をする方法を示している。蛍光標識を付けた(fl
uorescently labelled)バイオポリマーは平行壁を持った
薄い透明支持体(1)に付けられている。蛍光分子を最もよく励起するために、
レーザビーム(2)が用いられる。ビームは支持体端部よりも薄くなった扇形を
した円筒レンズ(3)を通して焦点を結ぶ。そのビームは端部(1)のなかに、
その支持体が内部映像の導波路となる角度でもって入射する。
【0015】 レーザビームで得られた蛍光は感光エレメントに光学的に入射して、そこで支
持体(1)に付けられた蛍光分子の画像が得られる。前に述べたメカニズムで得
られた蛍光は感光エレメントに入射して、そこで、図5に示すように、支持体(
1)に付けられ、レーザビームで励起された蛍光分子の画像が得られるようにな
っている。そのレーザビームは側面から支持体に入射する。デジタル制御CCD
カメラが感光エレメントとして用いられている。そのレーザビームは透明スラブ
あるいは六面体(4)を通して散乱されて、同時に光学くさび(5)で調節され
る。これらのエレメントは組み合わさって、ミラー(6)から支持体(1)に入
射してくるレーザビームの角度を調節する。
【0016】 支持体(1)に端面を通してビームを入射させるのに、図4に示すようにプリ
ズム(8)が使われている。プリズム(8)から支持体(1)に光を伝えるとき
の反射損失を少なくするために、透明な液体(9)、例えば顕微鏡で使われるよ
うな浸漬油が使われている。その屈折率はプリズム(8)及び支持体(1)の屈
折率に近いものである。
【0017】 本発明を具体的な好ましい実施例と関連して説明したが、本発明は上に述べた
ものに限定されないもので、むしろその反対に、本発明は添付した特許請求の範
囲の思想及び範囲に含まれる別の修正や均等のデバイスをも含むことを意図して
いるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 横切っていく光によるバイオポリマー配列表面での蛍光の励起を示す図である
【図2】 本発明の方法による内部蛍光映像全体の励起を示す図である。
【図3】 本発明の方法の応用を示す図であって、内部映像全体を生じるレーザビームが
円筒レンズを通して焦点をそこに結び、その直径が支持体の厚さよりも小さくな
っている。
【図4】 本発明の方法の応用を示す図であって、支持体にレーザビームを入射するのに
プリズムが用いられるものである。プリズムと支持体の間に透明液体が入れられ
ており、その屈折率はプリズムと支持体のそれに近いものである。
【図5】 本発明のデバイス、蛍光検出器の原理構造を示す図である。
───────────────────────────────────────────────────── 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 33/566 G01N 37/00 102 37/00 102 C12N 15/00 A (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW,ML, MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,GM,K E,LS,MW,SD,SL,SZ,TZ,UG,ZW ),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD,RU, TJ,TM),AE,AL,AM,AT,AU,AZ, BA,BB,BG,BR,BY,CA,CH,CN,C R,CU,CZ,DE,DK,DM,EE,ES,FI ,GB,GD,GE,GH,GM,HR,HU,ID, IL,IN,IS,JP,KE,KG,KP,KR,K Z,LC,LK,LR,LS,LT,LU,LV,MA ,MD,MG,MK,MN,MW,MX,NO,NZ, PL,PT,RO,RU,SD,SE,SG,SI,S K,SL,TJ,TM,TR,TT,TZ,UA,UG ,US,UZ,VN,YU,ZA,ZW Fターム(参考) 2G043 AA03 BA16 CA05 DA06 EA01 FA01 GA03 GB01 HA01 HA05 JA02 KA09 LA03 4B024 AA11 AA20 HA14 HA19 4B029 AA07 AA23 BB20

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ある波長を持った光ビームを、支持体内に内部映像全体が生
    じ、その支持体が導波路となり、その光の一部がエバネッセント波として支持体
    面から出ていくような角度で、バイオポリマー配列支持体に向けて、その面に直
    接取り付けられている分子に組み入れられた発蛍光団を励起することを特徴とす
    るバイオポリマー配列の画像形成と解析の方法。
  2. 【請求項2】 前記光ビームがレーザビームであることを特徴とする請求項
    1記載の方法。
  3. 【請求項3】 デジタル制御CCDカメラ(7)と、バンドパスフィルタと
    、照明領域を広げるための円筒散乱レンズ(3)とを備え、請求項1または2記
    載の方法を実施するための蛍光検出器。
  4. 【請求項4】 前記バイオポリマー配列支持体の照明領域を広げることを、
    レーザビームのを走査運動によって行い、その走査は透明六面体あるいはスラブ
    (4)を回転させて前記支持体(1)へのレーザビームの入射角を変えることに
    よって行うことを特徴とする請求項3記載の蛍光検出器。
  5. 【請求項5】 前記支持体(1)の中の光をより均一な分布にするために調
    節エレメントが用いられていることを特徴とする請求項3あるいは4記載の蛍光
    検出器。
  6. 【請求項6】 前記調節エレメントは、その軸の周りを回転する光学くさび
    (5)であり、この光学くさびの軸はレーザビームの光学軸の近くにあることを
    特徴とする請求項5記載の蛍光検出器。
  7. 【請求項7】 前記支持体(1)へのレーザビームの入射するその端部ある
    いは側面は、支持体中のレーザビームをより均一な分布にするように光散乱のた
    めにつや消しされていることを特徴とする請求項3ないし6のいずれか1つに記
    載の蛍光検出器。
  8. 【請求項8】 前記支持体(1)へのレーザビームの入射するその端部ある
    いは側面は、支持体中のレーザビーム強度をより強くするために磨かれているこ
    とを特徴とする請求項3ないし7のいずれか1つに記載の蛍光検出器。
  9. 【請求項9】 前記支持体(1)へレーザビームを向けるように、支持体(
    1)に付けられた回折格子が用いられていることを特徴とする請求項3ないし8
    のいずれか1つに記載の蛍光検出器。
  10. 【請求項10】 光学プリズム(8)を用いて前記支持体(1)の中にその
    側面を通ってレーザビームを向けることを特徴とする請求項3ないし9のいずれ
    か1つに記載の蛍光検出器。
  11. 【請求項11】 支持体(1)と前記光学プリズム(8)との間に、その屈
    折率が前記光学プリズム(8)及び支持体(1)のものに近い透明液体(9)、
    例えば浸漬油、が入れられていることを特徴とする請求項3ないし10のいずれ
    か1つに記載の蛍光検出器。
JP2000612730A 1999-04-21 2000-04-20 バイオポリマー配列の画像形成並びに解析をするための方法とデバイス Pending JP2002542479A (ja)

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