JP2003161699A - 蛍光検出装置 - Google Patents
蛍光検出装置Info
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- Investigating Or Analysing Materials By The Use Of Chemical Reactions (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 蛍光発光強度を高感度で検出可能な小型の蛍
光検出装置を提供する。 【解決手段】 半導体基板７に、少なくとも１対のフォ
トダイオード８０、８０−１と、１対のフォトダイオー
ドでそれぞれ光電変換された電荷を増幅する増幅用トラ
ンジスタ回路６、６−１とが形成され、半導体基板の上
部に、１対のフォトダイオードの一方８０に対向して蛍
光材を含む溶液が導入される液槽１３が形成された、透
明材料からなる容器１４と、１対のフォトダイオードの
他方８０−１および信号検出トランジスタ回路に対向し
て遮光層１２、１２−１、１２−２とを設け、一方のフ
ォトダイオードによる検出信号から他方のフォトダイオ
ードによる検出信号を減算して、励起光１６により励起
された蛍光の強度を測定する。
光検出装置を提供する。 【解決手段】 半導体基板７に、少なくとも１対のフォ
トダイオード８０、８０−１と、１対のフォトダイオー
ドでそれぞれ光電変換された電荷を増幅する増幅用トラ
ンジスタ回路６、６−１とが形成され、半導体基板の上
部に、１対のフォトダイオードの一方８０に対向して蛍
光材を含む溶液が導入される液槽１３が形成された、透
明材料からなる容器１４と、１対のフォトダイオードの
他方８０−１および信号検出トランジスタ回路に対向し
て遮光層１２、１２−１、１２−２とを設け、一方のフ
ォトダイオードによる検出信号から他方のフォトダイオ
ードによる検出信号を減算して、励起光１６により励起
された蛍光の強度を測定する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、蛍光発光を測定す
ることで、試料中に存在する特定の遺伝子の検出に応用
可能な蛍光検出装置に関する。
ることで、試料中に存在する特定の遺伝子の検出に応用
可能な蛍光検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、国際ヒトゲノムプロジェクトの進
展により、ＤＮＡ（デオキシリボ核酸）の塩基配列が判
明しつつあり、今後、その情報を基にして個人の最適な
投薬や遺伝病の早期発見・治療などの実現が進められて
いる。その中で、特定の遺伝子情報を簡易的に解析する
遺伝子解析チップの早期開発が特に望まれている。
展により、ＤＮＡ（デオキシリボ核酸）の塩基配列が判
明しつつあり、今後、その情報を基にして個人の最適な
投薬や遺伝病の早期発見・治療などの実現が進められて
いる。その中で、特定の遺伝子情報を簡易的に解析する
遺伝子解析チップの早期開発が特に望まれている。
【０００３】各個人固有の遺伝子情報は、ＤＮＡの塩基
配列に基づいたｍ−ＲＮＡ（メッセンジャー・リボ核
酸）を介して生成されるタンパク質や酵素の発現によっ
て決定される。このタンパク質や酵素により生体機能が
司られる。例えば、病因情報（遺伝子病など）や薬品代
謝機能なども、遺伝子情報により生体にインプリントさ
れている。このようなことから、予め遺伝子を調べるこ
とにより発症前に病気・治療の診断予測が可能となり、
より健康な生活が維持できるようになる。
配列に基づいたｍ−ＲＮＡ（メッセンジャー・リボ核
酸）を介して生成されるタンパク質や酵素の発現によっ
て決定される。このタンパク質や酵素により生体機能が
司られる。例えば、病因情報（遺伝子病など）や薬品代
謝機能なども、遺伝子情報により生体にインプリントさ
れている。このようなことから、予め遺伝子を調べるこ
とにより発症前に病気・治療の診断予測が可能となり、
より健康な生活が維持できるようになる。
【０００４】こうしたことから、疾病や投薬に関係する
遺伝子の特定が盛んに進められおり、現在数百以上の相
関が明らかにされている。
遺伝子の特定が盛んに進められおり、現在数百以上の相
関が明らかにされている。
【０００５】ＤＮＡチップの蛍光発光検出を例にして、
従来の方法について以下に説明する。
従来の方法について以下に説明する。
【０００６】判明している病因遺伝子と相補的な塩基配
列の核酸プローブを数センチメートル角のガラスチップ
やシリコンチップに固定化する。このチップは、一般的
にＤＮＡチップと呼ばれる。
列の核酸プローブを数センチメートル角のガラスチップ
やシリコンチップに固定化する。このチップは、一般的
にＤＮＡチップと呼ばれる。
【０００７】次に、調べたいサンプル遺伝子を細胞（例
えば、血液など）から抽出し、サンプル遺伝子から同じ
塩基配列を持つ蛍光色素で標識した核酸鎖をポリメラー
ゼ鎖反応（ＰＣＲ）技術を用いて生成および増幅する。
このＰＣＲにより、サンプル遺伝子の数十万倍以上に増
幅され蛍光標識された核酸鎖が生成される。この蛍光色
素で標識した核酸鎖を含む溶液中にＤＮＡチップを入れ
て、ハイブリダイゼーション反応をさせる。その後、Ｄ
ＮＡチップから蛍光色素で標識した核酸鎖を含む溶液を
洗い流す。
えば、血液など）から抽出し、サンプル遺伝子から同じ
塩基配列を持つ蛍光色素で標識した核酸鎖をポリメラー
ゼ鎖反応（ＰＣＲ）技術を用いて生成および増幅する。
このＰＣＲにより、サンプル遺伝子の数十万倍以上に増
幅され蛍光標識された核酸鎖が生成される。この蛍光色
素で標識した核酸鎖を含む溶液中にＤＮＡチップを入れ
て、ハイブリダイゼーション反応をさせる。その後、Ｄ
ＮＡチップから蛍光色素で標識した核酸鎖を含む溶液を
洗い流す。
【０００８】次に、図４に示す蛍光検出装置を用いて、
ＤＮＡチップの蛍光発光を測定する。レーザなどの光源
２０５からの励起光２０９は、ビームスプリッター２０
４で反射されて、対物レンズ２０６に入る。励起光２０
９は、対物レンズ２０６で集光されて、ＤＮＡチップ２
０８の核酸プローブの固定部２０７に当たる。
ＤＮＡチップの蛍光発光を測定する。レーザなどの光源
２０５からの励起光２０９は、ビームスプリッター２０
４で反射されて、対物レンズ２０６に入る。励起光２０
９は、対物レンズ２０６で集光されて、ＤＮＡチップ２
０８の核酸プローブの固定部２０７に当たる。
【０００９】ハイブリダイゼーション反応でハイブリダ
イゼーションした場合、病因遺伝子に基づいた核酸プロ
ーブと蛍光色素を標識した核酸鎖が二本鎖を形成し、溶
液を洗い流した後も、蛍光物質がＤＮＡチップ２０８上
に残ることになり、励起光２０９により蛍光標識が球状
放射の蛍光２１０を発生する。ハイブリダイゼーション
していない場合は、蛍光しない。蛍光２１０と励起光２
０９には、数十ナノメートル程度の波長の差がある。
イゼーションした場合、病因遺伝子に基づいた核酸プロ
ーブと蛍光色素を標識した核酸鎖が二本鎖を形成し、溶
液を洗い流した後も、蛍光物質がＤＮＡチップ２０８上
に残ることになり、励起光２０９により蛍光標識が球状
放射の蛍光２１０を発生する。ハイブリダイゼーション
していない場合は、蛍光しない。蛍光２１０と励起光２
０９には、数十ナノメートル程度の波長の差がある。
【００１０】蛍光の一部２１１と励起光２０９の反射光
が対物レンズ２０６に戻り、ビームスプリッター２０４
に入射する。励起光２０９の反射光は、ほとんどがビー
ムスプリッター２０４で反射されて、光源側に向かい、
蛍光の一部２１１は、ビームスプリッター２０４を透過
して、受光器２０１側に向かう。ビームスプリッター２
０４を透過した蛍光の一部２１１は、波長を限定するフ
ィルター２０３で励起光２０９の反射光は除去される。
蛍光の一部２１１は、受光器レンズ２０２を通って、蛍
光強度を測定する受光器２０１に入射する。ハイブリダ
イゼーション反応でハイブリダイゼーションしていない
場合は、蛍光しないために、受光器２０１に光は入射し
ない。
が対物レンズ２０６に戻り、ビームスプリッター２０４
に入射する。励起光２０９の反射光は、ほとんどがビー
ムスプリッター２０４で反射されて、光源側に向かい、
蛍光の一部２１１は、ビームスプリッター２０４を透過
して、受光器２０１側に向かう。ビームスプリッター２
０４を透過した蛍光の一部２１１は、波長を限定するフ
ィルター２０３で励起光２０９の反射光は除去される。
蛍光の一部２１１は、受光器レンズ２０２を通って、蛍
光強度を測定する受光器２０１に入射する。ハイブリダ
イゼーション反応でハイブリダイゼーションしていない
場合は、蛍光しないために、受光器２０１に光は入射し
ない。
【００１１】図４に示すように、従来の蛍光検出装置で
は、遺伝子検知のために大掛かりな光学系による測定系
を用いて、蛍光発光強度を検知している。
は、遺伝子検知のために大掛かりな光学系による測定系
を用いて、蛍光発光強度を検知している。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の遺伝子検知のための蛍光検出装置では、フィルタ
ー、光学レンズを必要とし、また長い光路長のために蛍
光部から受光部までの間でのロスが大きく、蛍光が十分
に受光器に入射できないことで、検出感度が低いことが
問題となっている。
来の遺伝子検知のための蛍光検出装置では、フィルタ
ー、光学レンズを必要とし、また長い光路長のために蛍
光部から受光部までの間でのロスが大きく、蛍光が十分
に受光器に入射できないことで、検出感度が低いことが
問題となっている。
【００１３】本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなさ
れたものであり、その目的は、蛍光発光強度を高感度で
検出可能な小型の蛍光検出装置を提供することにある。
れたものであり、その目的は、蛍光発光強度を高感度で
検出可能な小型の蛍光検出装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め、本発明に係る蛍光検出装置は、少なくとも１対のフ
ォトダイオードと、１対のフォトダイオードでそれぞれ
光電変換された電荷を入力とする信号検出トランジスタ
回路と、１対のフォトダイオードおよび信号検出トラン
ジスタ回路を駆動する入力端子と、信号検出トランジス
タ回路からの検出電圧を出力する出力端子とが形成され
た半導体集積回路基板と、半導体集積回路基板の上部
に、１対のフォトダイオードの一方に対向して蛍光材を
含む溶液が導入される液槽が形成された、透明材料から
なる容器とを有する蛍光検出装置であって、１対のフォ
トダイオードの他方および信号検出トランジスタ回路に
対向して遮光層を具備したことを特徴とする。
め、本発明に係る蛍光検出装置は、少なくとも１対のフ
ォトダイオードと、１対のフォトダイオードでそれぞれ
光電変換された電荷を入力とする信号検出トランジスタ
回路と、１対のフォトダイオードおよび信号検出トラン
ジスタ回路を駆動する入力端子と、信号検出トランジス
タ回路からの検出電圧を出力する出力端子とが形成され
た半導体集積回路基板と、半導体集積回路基板の上部
に、１対のフォトダイオードの一方に対向して蛍光材を
含む溶液が導入される液槽が形成された、透明材料から
なる容器とを有する蛍光検出装置であって、１対のフォ
トダイオードの他方および信号検出トランジスタ回路に
対向して遮光層を具備したことを特徴とする。
【００１５】この構成によれば、１対のフォトダイオー
ドの他方および信号検出トランジスタ回路に対向して遮
光層を設けることで、蛍光ではない熱に起因して、他方
のフォトダイオードで生じた信号を検出することができ
る。特に、蛍光を光電変換する一方のフォトダイオード
と隣接して他方のフォトダイオード形成することによ
り、両方のフォトダイオードにおける温度が同じにな
り、熱によるフォトダイオードでの電荷生成が同じにな
る。
ドの他方および信号検出トランジスタ回路に対向して遮
光層を設けることで、蛍光ではない熱に起因して、他方
のフォトダイオードで生じた信号を検出することができ
る。特に、蛍光を光電変換する一方のフォトダイオード
と隣接して他方のフォトダイオード形成することによ
り、両方のフォトダイオードにおける温度が同じにな
り、熱によるフォトダイオードでの電荷生成が同じにな
る。
【００１６】本発明に係る蛍光検出装置において、一方
のフォトダイオードによる検出信号から、他方のフォト
ダイオードによる検出信号を減算することにより、液槽
に入射する励起光により励起された蛍光の強度が計測さ
れることを特徴とする。
のフォトダイオードによる検出信号から、他方のフォト
ダイオードによる検出信号を減算することにより、液槽
に入射する励起光により励起された蛍光の強度が計測さ
れることを特徴とする。
【００１７】この構成によれば、熱により生成した電荷
分を除外でき、熱、温度要因による信号精度の低下が抑
制できる。
分を除外でき、熱、温度要因による信号精度の低下が抑
制できる。
【００１８】また、本発明に係る蛍光検出装置におい
て、遮光層は、光吸収材料の表面が低反射処理されて成
ることが好ましい。
て、遮光層は、光吸収材料の表面が低反射処理されて成
ることが好ましい。
【００１９】この構成によれば、多重反射による遮光さ
れた他方のフォトダイオードへの光の入射を抑制でき、
蛍光による信号を高精度に検出できる。
れた他方のフォトダイオードへの光の入射を抑制でき、
蛍光による信号を高精度に検出できる。
【００２０】また、本発明に係る蛍光検出装置におい
て、液槽の底部に病因遺伝子の一本鎖ＤＮＡが固定化さ
れ、液槽に蛍光材で蛍光修飾したサンプル遺伝子の一本
鎖ＤＮＡを含む溶液が導入され、その後溶液が除去さ
れ、励起光を照射して蛍光の強度が計測されることが好
ましい。
て、液槽の底部に病因遺伝子の一本鎖ＤＮＡが固定化さ
れ、液槽に蛍光材で蛍光修飾したサンプル遺伝子の一本
鎖ＤＮＡを含む溶液が導入され、その後溶液が除去さ
れ、励起光を照射して蛍光の強度が計測されることが好
ましい。
【００２１】この構成によれば、二本鎖ＤＮＡが形成さ
れていた部分が蛍光を発するので、サンプル遺伝子が病
因遺伝子と相補な塩基配列であることが分かり、特定の
遺伝子を検知することができる。
れていた部分が蛍光を発するので、サンプル遺伝子が病
因遺伝子と相補な塩基配列であることが分かり、特定の
遺伝子を検知することができる。
【００２２】また、本発明に係る蛍光検出装置におい
て、液槽の底部に特定の蛋白質を捕らえる抗体が固定化
され、液槽に蛍光材で蛍光修飾した蛋白質の溶液が導入
され、その後溶液が除去され、励起光を照射して蛍光の
強度が計測されることが好ましい。
て、液槽の底部に特定の蛋白質を捕らえる抗体が固定化
され、液槽に蛍光材で蛍光修飾した蛋白質の溶液が導入
され、その後溶液が除去され、励起光を照射して蛍光の
強度が計測されることが好ましい。
【００２３】この構成によれば、蛍光修飾された蛋白質
が、抗体が捕らえる特定の蛋白質であれば、蛍光修飾さ
れた蛋白質と抗体が液槽の底部に生成され、それが蛍光
を発するので、特定の蛋白質を検知することができる。
が、抗体が捕らえる特定の蛋白質であれば、蛍光修飾さ
れた蛋白質と抗体が液槽の底部に生成され、それが蛍光
を発するので、特定の蛋白質を検知することができる。
【００２４】また、本発明に係る蛍光検出装置におい
て、液槽に、サンプル遺伝子の一本鎖ＤＮＡ溶液と、ポ
リメラーゼ・チェーン反応（ＰＣＲ）により一本鎖ＤＮ
Ａ溶液と蛍光反応を起こす試薬とが導入され、蛍光の強
度が計測されることが好ましい。
て、液槽に、サンプル遺伝子の一本鎖ＤＮＡ溶液と、ポ
リメラーゼ・チェーン反応（ＰＣＲ）により一本鎖ＤＮ
Ａ溶液と蛍光反応を起こす試薬とが導入され、蛍光の強
度が計測されることが好ましい。
【００２５】この構成によれば、ＰＣＲ法などの遺伝子
増幅法を実施することができる。
増幅法を実施することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
について、図１から図３を参照しながら説明する。
について、図１から図３を参照しながら説明する。
【００２７】図１は、本発明の一実施形態に係る蛍光検
出装置における光検出部分の構造を示す断面図であり、
図２は、図１の蛍光検出装置における蛍光検出回路の詳
細構成を示す図（ａ）およびその駆動タイミングチャー
ト（ｂ）であり、図３は、図１の蛍光検出装置における
光検出部分の外観構造を示す斜視図である。なお、図１
から図３を通じて、同じ構成および機能を有する部分に
ついては、同一の符号を付している。
出装置における光検出部分の構造を示す断面図であり、
図２は、図１の蛍光検出装置における蛍光検出回路の詳
細構成を示す図（ａ）およびその駆動タイミングチャー
ト（ｂ）であり、図３は、図１の蛍光検出装置における
光検出部分の外観構造を示す斜視図である。なお、図１
から図３を通じて、同じ構成および機能を有する部分に
ついては、同一の符号を付している。
【００２８】図１において、ｐ型シリコン基板７には、
ｎ型不純物層８、８−１および対応する最表面にｐ＋層
２１、２１−１がそれぞれ設けられたフォトダイオード
８０、８０−１と、フォトダイオード８０、８０−１で
それぞれ光電変換された電荷信号を増幅する増幅用トラ
ンジスタ６、６−１と、電荷信号を読み出した後にフォ
トダイオード８０の電荷をリセットするリセットトラン
ジスタ９と、電荷信号を読み出した後にフォトダイオー
ド８０−１の電荷をリセットするリセットトランジスタ
９−１とが形成される。
ｎ型不純物層８、８−１および対応する最表面にｐ＋層
２１、２１−１がそれぞれ設けられたフォトダイオード
８０、８０−１と、フォトダイオード８０、８０−１で
それぞれ光電変換された電荷信号を増幅する増幅用トラ
ンジスタ６、６−１と、電荷信号を読み出した後にフォ
トダイオード８０の電荷をリセットするリセットトラン
ジスタ９と、電荷信号を読み出した後にフォトダイオー
ド８０−１の電荷をリセットするリセットトランジスタ
９−１とが形成される。
【００２９】また、ｐ型半導体基板７の上部には、層間
絶縁膜４が形成され、その上に形成された、透明材料、
例えば石英からなる容器１４中に、蛍光材を含む溶液１
７を入れる液槽１３が、フォトダイオード８０の上部に
対向して形成される。１６は、液槽１３内の溶液に入射
する励起光を示している。
絶縁膜４が形成され、その上に形成された、透明材料、
例えば石英からなる容器１４中に、蛍光材を含む溶液１
７を入れる液槽１３が、フォトダイオード８０の上部に
対向して形成される。１６は、液槽１３内の溶液に入射
する励起光を示している。
【００３０】フォトダイオード８０、８０−１でそれぞ
れ光電変換された電圧が、金属配線１、１−１により、
増幅用トランジスタ６、６−１の制御ゲート３、３−１
にそれぞれ入力される。２、５は、それぞれ、増幅トラ
ンジスタ６のソース金属配線、ドレイン金属配線であ
る。２−１、５−１は、それぞれ、増幅トランジスタ６
−１のソース金属配線、ドレイン金属配線である。１
１、１１−１は、それぞれ、リセットトランジスタ９、
９−１の制御ゲートであり、１０はリセット電源線であ
る。
れ光電変換された電圧が、金属配線１、１−１により、
増幅用トランジスタ６、６−１の制御ゲート３、３−１
にそれぞれ入力される。２、５は、それぞれ、増幅トラ
ンジスタ６のソース金属配線、ドレイン金属配線であ
る。２−１、５−１は、それぞれ、増幅トランジスタ６
−１のソース金属配線、ドレイン金属配線である。１
１、１１−１は、それぞれ、リセットトランジスタ９、
９−１の制御ゲートであり、１０はリセット電源線であ
る。
【００３１】また、１２は、フォトダイオード以外のリ
セットトランジスタなどの能動素子を遮光する金属層で
ある。１２−１、１２−２は、フォトダイオード８０−
１のみを遮光する金属層であり、表裏面を低反射化して
いる。材料としては、例えば、アルミニウム膜の表裏面
に窒化チタン（ＴｉＮ）などの光吸収膜で低反射化した
ものをスパッタなどにより形成する。
セットトランジスタなどの能動素子を遮光する金属層で
ある。１２−１、１２−２は、フォトダイオード８０−
１のみを遮光する金属層であり、表裏面を低反射化して
いる。材料としては、例えば、アルミニウム膜の表裏面
に窒化チタン（ＴｉＮ）などの光吸収膜で低反射化した
ものをスパッタなどにより形成する。
【００３２】図２（ａ）の蛍光検出回路において、８
０、８０−１はフォトダイオード、２３はリセットトラ
ンジスタ、２４は増幅用トランジスタ、２５は負荷トラ
ンジスタ、２６および２６−１は選択用トランジスタで
ある。負荷トランジスタ２５のゲートとソースは接地さ
れている。３２は増幅用トランジスタ２４の電源、３３
はリセットトランジスタ２３のリセット電源、３４はリ
セットトランジスタのタイミング制御入力端子である。
３６および３６−１は、それぞれ選択用トランジスタ２
６、２６−１のタイミング制御端子である。３５は、増
幅用トランジスタ２４と負荷トランジスタ２５とで構成
されるソースホロワ回路の信号出力端子である。なお、
図２（ａ）では、図１の２つの増幅用トランジスタ６、
６−１を１つの増幅用トランジスタ２４で表し、２つの
リセットトランジスタ９、９−１を１つのリセットトラ
ンジスタ２３で表している。また、図２（ａ）の選択用
トランジスタ２６、２６−１、および負荷トランジスタ
２５は、図１では例示の便宜上省略している。
０、８０−１はフォトダイオード、２３はリセットトラ
ンジスタ、２４は増幅用トランジスタ、２５は負荷トラ
ンジスタ、２６および２６−１は選択用トランジスタで
ある。負荷トランジスタ２５のゲートとソースは接地さ
れている。３２は増幅用トランジスタ２４の電源、３３
はリセットトランジスタ２３のリセット電源、３４はリ
セットトランジスタのタイミング制御入力端子である。
３６および３６−１は、それぞれ選択用トランジスタ２
６、２６−１のタイミング制御端子である。３５は、増
幅用トランジスタ２４と負荷トランジスタ２５とで構成
されるソースホロワ回路の信号出力端子である。なお、
図２（ａ）では、図１の２つの増幅用トランジスタ６、
６−１を１つの増幅用トランジスタ２４で表し、２つの
リセットトランジスタ９、９−１を１つのリセットトラ
ンジスタ２３で表している。また、図２（ａ）の選択用
トランジスタ２６、２６−１、および負荷トランジスタ
２５は、図１では例示の便宜上省略している。
【００３３】次に、このように構成された蛍光検出回路
の動作原理について、図１および図２（ａ）を用いて説
明する。
の動作原理について、図１および図２（ａ）を用いて説
明する。
【００３４】まず、フォトダイオード８０、８０−１の
カソード側を、リセットトランジスタ２３と選択用トラ
ンジスタ２６、２６−１により、リセット電源３３の正
電圧に充電する。増幅用トランジスタ２４と負荷トラン
ジスタ２５とで構成されるソースホロワ回路の信号出力
Ｖ３５は、フォトダイオード８０、８０−１の検出電圧
を読み出していない時には、リセットトランジスタ２３
により充電された電圧と同じになる。
カソード側を、リセットトランジスタ２３と選択用トラ
ンジスタ２６、２６−１により、リセット電源３３の正
電圧に充電する。増幅用トランジスタ２４と負荷トラン
ジスタ２５とで構成されるソースホロワ回路の信号出力
Ｖ３５は、フォトダイオード８０、８０−１の検出電圧
を読み出していない時には、リセットトランジスタ２３
により充電された電圧と同じになる。
【００３５】その後、フォトダイオード８０に蛍光１
６’が入射すると、フォトダイオード８０では光電変換
により発生した電子、および熱により生成された電子
が、ｎ型不純物層８に蓄積され、フォトダイオード８０
のカソード側の電圧が低下する。しかし、フォトダイオ
ード８０−１では、遮光層１２−１、１２−２により遮
光されているために、光電変換が起きず、熱による電荷
生成による電子だけがｎ型不純物層８−１に蓄積され、
その分、フォトダイオード８０−１のカソード側の電圧
が若干低下することになる。
６’が入射すると、フォトダイオード８０では光電変換
により発生した電子、および熱により生成された電子
が、ｎ型不純物層８に蓄積され、フォトダイオード８０
のカソード側の電圧が低下する。しかし、フォトダイオ
ード８０−１では、遮光層１２−１、１２−２により遮
光されているために、光電変換が起きず、熱による電荷
生成による電子だけがｎ型不純物層８−１に蓄積され、
その分、フォトダイオード８０−１のカソード側の電圧
が若干低下することになる。
【００３６】次に、蛍光１６’を光電変換した信号の読
み出しについて、図２（ｂ）のタイミングチャートを用
いて説明する。
み出しについて、図２（ｂ）のタイミングチャートを用
いて説明する。
【００３７】まず、フォトダイオード８０、８０−１の
カソードを上記のように充電後、蛍光計測する一定の時
間後に、フォトダイオード８０のカソード電圧を読み出
す。そのために、図２（ｂ）に示すように、選択用トラ
ンジスタ２６をオンにする制御パルスＶ３６をタイミン
グ制御入力端子３６に入力し、続いてリセットトランジ
スタ２３をオンにする制御パルスＶ２３をタイミング制
御入力端子３４に入力する。その結果、選択用トランジ
スタ２６がオンになってから、リセットトランジスタ２
３がオンになるまでの間の信号出力端子３５の電圧Ｖ３
５が、フォトダイオード８０のカソード電圧の信号とな
る。
カソードを上記のように充電後、蛍光計測する一定の時
間後に、フォトダイオード８０のカソード電圧を読み出
す。そのために、図２（ｂ）に示すように、選択用トラ
ンジスタ２６をオンにする制御パルスＶ３６をタイミン
グ制御入力端子３６に入力し、続いてリセットトランジ
スタ２３をオンにする制御パルスＶ２３をタイミング制
御入力端子３４に入力する。その結果、選択用トランジ
スタ２６がオンになってから、リセットトランジスタ２
３がオンになるまでの間の信号出力端子３５の電圧Ｖ３
５が、フォトダイオード８０のカソード電圧の信号とな
る。
【００３８】続いて、フォトダイオード８０−１のカソ
ード電圧を読み出す。そのために、図２（ｂ）に示すよ
うに、選択用トランジスタ２６−１をオンにする制御パ
ルスＶ３６−１をタイミング制御入力端子３６−１に入
力し、続いてリセットトランジスタ２３をオンにする制
御パルスＶ３４をタイミング制御入力端子３４に入力す
る。その結果、選択トランジスタ２６−１がオンになっ
てから、リセットトランジスタ２３がオンになるまでの
間の信号出力端子３５の電圧Ｖ３５が、フォトダイオー
ド８０−１のカソード電圧の信号となる。
ード電圧を読み出す。そのために、図２（ｂ）に示すよ
うに、選択用トランジスタ２６−１をオンにする制御パ
ルスＶ３６−１をタイミング制御入力端子３６−１に入
力し、続いてリセットトランジスタ２３をオンにする制
御パルスＶ３４をタイミング制御入力端子３４に入力す
る。その結果、選択トランジスタ２６−１がオンになっ
てから、リセットトランジスタ２３がオンになるまでの
間の信号出力端子３５の電圧Ｖ３５が、フォトダイオー
ド８０−１のカソード電圧の信号となる。
【００３９】信号出力端子３５の電圧Ｖ３５には、光電
変換および熱による信号と光電変換を含まない熱のみに
よる信号が出現する。これらの信号の差分を測定するこ
とにより、蛍光１６’を光電変換した信号が検出され
る。
変換および熱による信号と光電変換を含まない熱のみに
よる信号が出現する。これらの信号の差分を測定するこ
とにより、蛍光１６’を光電変換した信号が検出され
る。
【００４０】実際には、図３に示すように、蛍光材を含
む溶液１７を入れた液槽１３に対して、蛍光を励起する
励起光１６が入射される。図３において、１５は、図１
および図２に示した半導体集積回路を具備した半導体集
積回路基板である。蛍光材を含む溶液１７に励起光１６
が入射すると、球状に放射する蛍光１６’が発生し、蛍
光１６’は、半導体集積回路基板１５のｎ型不純物層８
に入射して光電変換される。
む溶液１７を入れた液槽１３に対して、蛍光を励起する
励起光１６が入射される。図３において、１５は、図１
および図２に示した半導体集積回路を具備した半導体集
積回路基板である。蛍光材を含む溶液１７に励起光１６
が入射すると、球状に放射する蛍光１６’が発生し、蛍
光１６’は、半導体集積回路基板１５のｎ型不純物層８
に入射して光電変換される。
【００４１】次に、このような蛍光検出装置の応用につ
いて説明する。
いて説明する。
【００４２】例えば、液槽１３の底部に病因遺伝子の一
本鎖ＤＮＡを固定化し、Ｃｙ3などの蛍光材で蛍光修飾
したサンプル遺伝子の一本鎖ＤＮＡを含む溶液を液槽１
３に導入する。固定化した病因遺伝子と蛍光修飾したサ
ンプル遺伝子が、相補的な塩基配列である場合には、ハ
イブリダイゼーションが起り、蛍光材がついた二本鎖Ｄ
ＮＡとなる。その後、蛍光修飾したサンプル遺伝子の一
本鎖ＤＮＡを含む溶液を除去する。そして、蛍光発光の
励起光１６を照射すると、二本鎖ＤＮＡが形成されてい
るところが蛍光１６’を発する。もし、蛍光発光がフォ
トダイオード８０、８０−１により検出された場合、二
本鎖ＤＮＡが形成されていたことになり、サンプル遺伝
子が病因遺伝子と相補な塩基配列であったことが分か
る。ここで、フォトダイオードが多数形成されている場
合には、複数の病因遺伝子の一本鎖ＤＮＡを固定化して
いれば、同時に複数の病因遺伝子について検査できる。
本鎖ＤＮＡを固定化し、Ｃｙ3などの蛍光材で蛍光修飾
したサンプル遺伝子の一本鎖ＤＮＡを含む溶液を液槽１
３に導入する。固定化した病因遺伝子と蛍光修飾したサ
ンプル遺伝子が、相補的な塩基配列である場合には、ハ
イブリダイゼーションが起り、蛍光材がついた二本鎖Ｄ
ＮＡとなる。その後、蛍光修飾したサンプル遺伝子の一
本鎖ＤＮＡを含む溶液を除去する。そして、蛍光発光の
励起光１６を照射すると、二本鎖ＤＮＡが形成されてい
るところが蛍光１６’を発する。もし、蛍光発光がフォ
トダイオード８０、８０−１により検出された場合、二
本鎖ＤＮＡが形成されていたことになり、サンプル遺伝
子が病因遺伝子と相補な塩基配列であったことが分か
る。ここで、フォトダイオードが多数形成されている場
合には、複数の病因遺伝子の一本鎖ＤＮＡを固定化して
いれば、同時に複数の病因遺伝子について検査できる。
【００４３】また、ここで、液槽１３の底部に、病因遺
伝子の一本鎖ＤＮＡに代えて、特定の蛋白質を捕らえる
抗体を固定化しても構わない。その場合、後で蛍光修飾
した蛋白質の溶液を入れる。その後、蛍光修飾した蛋白
質の溶液を除去し、蛍光の励起光１６を照射する。ここ
で、蛍光修飾された蛋白質が、抗体が捕らえる特定の蛋
白質であれば、蛍光修飾された蛋白質と抗体が液槽１３
の底部に生成され、それが蛍光１６’を発し、フォトダ
イオード８０、８０−１で検出できる。これにより、特
定の蛋白質の検知ができる。ここで、フォトダイオード
が多数形成されている場合には、複数の抗体を固定化し
ていれば、同時に複数の蛋白質について検知できる。
伝子の一本鎖ＤＮＡに代えて、特定の蛋白質を捕らえる
抗体を固定化しても構わない。その場合、後で蛍光修飾
した蛋白質の溶液を入れる。その後、蛍光修飾した蛋白
質の溶液を除去し、蛍光の励起光１６を照射する。ここ
で、蛍光修飾された蛋白質が、抗体が捕らえる特定の蛋
白質であれば、蛍光修飾された蛋白質と抗体が液槽１３
の底部に生成され、それが蛍光１６’を発し、フォトダ
イオード８０、８０−１で検出できる。これにより、特
定の蛋白質の検知ができる。ここで、フォトダイオード
が多数形成されている場合には、複数の抗体を固定化し
ていれば、同時に複数の蛋白質について検知できる。
【００４４】さらに、この装置において、ＰＣＲ法など
の遺伝子増幅法を実施してもよい。この場合、ターゲッ
トＤＮＡを含むサンプル溶液と、ターゲットＤＮＡの両
端にハイブリタイズ可能な一対のプライマー、耐熱性Ｄ
ＮＡポリメラーゼ（ＴａｑＤＮＡポリメラーゼ等）、ｄ
ＮＴＰｓおよび蛍光インターカーレータ等を含むバッフ
ァー液とを液槽１３に入れる。そして、ターゲットＤＮ
Ａの熱変性、プライマーのアニーリングおよびＤＮＡポ
リメラーゼによる伸長反応の一連のステップを繰り返す
ことにより、ターゲットＤＮＡの増幅を行う。このよう
にして得られた増幅産物に蛍光インターカーレータが結
合するので、これに励起光１６を照射し、生じる蛍光１
６’をフォトダイオード８０、８０−１で検出すればよ
い。なお、蛍光反応は、上記に限らず、例えば、インベ
ーダーアッセイ法や、ＴａｑＭａｎ ＰＣＲ法による蛍
光反応を液槽１３で起こさせ、その蛍光の強度を計測し
てもよい。
の遺伝子増幅法を実施してもよい。この場合、ターゲッ
トＤＮＡを含むサンプル溶液と、ターゲットＤＮＡの両
端にハイブリタイズ可能な一対のプライマー、耐熱性Ｄ
ＮＡポリメラーゼ（ＴａｑＤＮＡポリメラーゼ等）、ｄ
ＮＴＰｓおよび蛍光インターカーレータ等を含むバッフ
ァー液とを液槽１３に入れる。そして、ターゲットＤＮ
Ａの熱変性、プライマーのアニーリングおよびＤＮＡポ
リメラーゼによる伸長反応の一連のステップを繰り返す
ことにより、ターゲットＤＮＡの増幅を行う。このよう
にして得られた増幅産物に蛍光インターカーレータが結
合するので、これに励起光１６を照射し、生じる蛍光１
６’をフォトダイオード８０、８０−１で検出すればよ
い。なお、蛍光反応は、上記に限らず、例えば、インベ
ーダーアッセイ法や、ＴａｑＭａｎ ＰＣＲ法による蛍
光反応を液槽１３で起こさせ、その蛍光の強度を計測し
てもよい。
【００４５】半導体集積回路基板１５は、シリコン基板
からＩＣ（集積回路）を製造するＭＯＳ（金属−酸化膜
−半導体）プロセスにより作製される。本実施形態にお
いて、半導体集積回路基板１５の材料をシリコン単結晶
基板としたが、これに限らず、フォトダイオードとトラ
ンジスタが形成可能な基板材料ならよく、ガラス基板上
に形成した多結晶シリコン集積回路基板、アモルファス
シリコン集積回路基板、ＧａＡｓ集積回路基板などでも
良い。
からＩＣ（集積回路）を製造するＭＯＳ（金属−酸化膜
−半導体）プロセスにより作製される。本実施形態にお
いて、半導体集積回路基板１５の材料をシリコン単結晶
基板としたが、これに限らず、フォトダイオードとトラ
ンジスタが形成可能な基板材料ならよく、ガラス基板上
に形成した多結晶シリコン集積回路基板、アモルファス
シリコン集積回路基板、ＧａＡｓ集積回路基板などでも
良い。
【００４６】また、透明材料にからなる容器１４は、石
英に限るものでなく、光透過率が高く、蛍光が極力少な
い材料であれば良い。
英に限るものでなく、光透過率が高く、蛍光が極力少な
い材料であれば良い。
【００４７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
蛍光材を含む溶液を入れる液槽の下の蛍光測定用のフォ
トダイオードに隣接して、遮光層を設けたフォトダイオ
ードを設け、同じ増幅回路を介して信号を読み出して、
差分を比較評価することで、熱による外乱要因を排除で
き、高感度に蛍光を検出できる。
蛍光材を含む溶液を入れる液槽の下の蛍光測定用のフォ
トダイオードに隣接して、遮光層を設けたフォトダイオ
ードを設け、同じ増幅回路を介して信号を読み出して、
差分を比較評価することで、熱による外乱要因を排除で
き、高感度に蛍光を検出できる。
【図１】 本発明の一実施形態に係る蛍光検出装置にお
ける光検出部分の構造を示す構造図
ける光検出部分の構造を示す構造図
【図２】 図１の蛍光検出装置における蛍光検出回路の
詳細構成を示す回路図（ａ）およびその駆動タイミング
チャート（ｂ）
詳細構成を示す回路図（ａ）およびその駆動タイミング
チャート（ｂ）
【図３】 図１の蛍光検出装置における光検出部分の外
観構造を示す斜視図
観構造を示す斜視図
【図４】 従来の蛍光検出装置の構成図
１、１−１…金属配線
２、２−１…ソース金属線
３、３−１…制御ゲート
４…層間絶縁膜
５、５−１…ドレイン金属配線
６、６−１…増幅用トランジスタ
７…ｐ型半導体基板
８、８−１…ｎ型不純物層
９、９−１…リセットトランジスタ
１０…リセット電源線
１１、１１−１…制御ゲート
１２、１２−１、１２−２…遮光用の金属層
１３…液槽
１４…容器
１５…半導体集積回路基板
１６…励起光
１６’…蛍光
１７…蛍光材を含む溶液
２１、２１−１…ｐ＋不純物層
２３…リセットトランジスタ
２４…増幅用トランジスタ
２５…負荷トランジスタ
２６、２６−１…選択用トランジスタ
３２…電源
３３…リセット電源
３４…タイミング制御入力端子
３５…信号出力端子
３６、３６−１…タイミング制御入力端子
８０、８０−１…フォトダイオード
─────────────────────────────────────────────────────
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 33/566
Ｆターム(参考） 2G043 AA01 AA04 BA16 CA04 DA02
EA01 GA01 GA07 GB01 LA01
NA13
2G045 AA35 DA13 FA11 FB02 FB12
JA07
2G054 AA06 AB02 BB13 CA22 EA03
FB01 GA04
4B029 AA07 BB01 BB15 BB20 CC04
FA15 GB10 HA10
Claims (6)
- 【請求項１】 少なくとも１対のフォトダイオードと、
前記１対のフォトダイオードでそれぞれ光電変換された
電荷を入力とする信号検出トランジスタ回路と、前記１
対のフォトダイオードおよび前記信号検出トランジスタ
回路を駆動する入力端子と、前記信号検出トランジスタ
回路からの検出電圧を出力する出力端子とが形成された
半導体集積回路基板と、前記半導体集積回路基板の上部
に、前記１対のフォトダイオードの一方に対向して蛍光
材を含む溶液が導入される液槽が形成された、透明材料
からなる容器とを有する蛍光検出装置であって、 前記１対のフォトダイオードの他方および前記信号検出
トランジスタ回路に対向して遮光層を具備したことを特
徴とする蛍光検出装置。 - 【請求項２】 前記一方のフォトダイオードによる検出
信号から、前記他方のフォトダイオードによる検出信号
を減算することにより、前記液槽に入射する励起光によ
り励起された蛍光の強度が計測されることを特徴とする
請求項１記載の蛍光検出装置。 - 【請求項３】 前記遮光層は、光吸収材料の表面が低反
射処理されて成ることを特徴とする請求項１記載の蛍光
検出装置。 - 【請求項４】 前記液槽の底部に病因遺伝子の一本鎖Ｄ
ＮＡが固定化され、前記液槽に蛍光材で蛍光修飾したサ
ンプル遺伝子の一本鎖ＤＮＡを含む溶液が導入され、そ
の後前記溶液が除去され、前記励起光を照射して蛍光の
強度が計測されることを特徴とする請求項２記載の蛍光
検出装置。 - 【請求項５】 前記液槽の底部に特定の蛋白質を捕らえ
る抗体が固定化され、前記液槽に蛍光材で蛍光修飾した
蛋白質の溶液が導入され、その後前記溶液が除去され、
前記励起光を照射して蛍光の強度が計測されることを特
徴とする請求項２記載の蛍光検出装置。 - 【請求項６】 前記液槽に、サンプル遺伝子の一本鎖Ｄ
ＮＡ溶液と、ポリメラーゼ・チェーン反応（ＰＣＲ）に
より前記一本鎖ＤＮＡ溶液と蛍光反応を起こす試薬とが
導入され、蛍光の強度が計測されることを特徴とする請
求項２記載の蛍光検出装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001362933A JP3811393B2 (ja) | 2001-11-28 | 2001-11-28 | 蛍光検出装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001362933A JP3811393B2 (ja) | 2001-11-28 | 2001-11-28 | 蛍光検出装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003161699A true JP2003161699A (ja) | 2003-06-06 |
| JP3811393B2 JP3811393B2 (ja) | 2006-08-16 |
Family
ID=19173354
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001362933A Expired - Fee Related JP3811393B2 (ja) | 2001-11-28 | 2001-11-28 | 蛍光検出装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3811393B2 (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006258723A (ja) * | 2005-03-18 | 2006-09-28 | Casio Comput Co Ltd | 生体高分子分析支援装置及び生体高分子分析方法 |
| JP2008170353A (ja) * | 2007-01-12 | 2008-07-24 | Okayama Univ | 物質検出装置、物質検出、物質検出プレート、及び、測定セル |
| JP2008543292A (ja) * | 2005-06-13 | 2008-12-04 | エッペンドルフ アーゲー | サーモサイクラ装置 |
| JP2009036777A (ja) * | 2008-10-17 | 2009-02-19 | Casio Comput Co Ltd | 蛍光検出チップ |
| WO2013061529A1 (ja) * | 2011-10-24 | 2013-05-02 | ソニー株式会社 | ケミカルセンサ、生体分子検出装置及び生体分子検出方法 |
-
2001
- 2001-11-28 JP JP2001362933A patent/JP3811393B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006258723A (ja) * | 2005-03-18 | 2006-09-28 | Casio Comput Co Ltd | 生体高分子分析支援装置及び生体高分子分析方法 |
| JP4622604B2 (ja) * | 2005-03-18 | 2011-02-02 | カシオ計算機株式会社 | 生体高分子分析支援装置及び生体高分子分析方法 |
| JP2008543292A (ja) * | 2005-06-13 | 2008-12-04 | エッペンドルフ アーゲー | サーモサイクラ装置 |
| JP2008170353A (ja) * | 2007-01-12 | 2008-07-24 | Okayama Univ | 物質検出装置、物質検出、物質検出プレート、及び、測定セル |
| JP2009036777A (ja) * | 2008-10-17 | 2009-02-19 | Casio Comput Co Ltd | 蛍光検出チップ |
| WO2013061529A1 (ja) * | 2011-10-24 | 2013-05-02 | ソニー株式会社 | ケミカルセンサ、生体分子検出装置及び生体分子検出方法 |
| JP2013092393A (ja) * | 2011-10-24 | 2013-05-16 | Sony Corp | ケミカルセンサ、生体分子検出装置及び生体分子検出方法 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3811393B2 (ja) | 2006-08-16 |
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