JP2003515107A

JP2003515107A - 検出器アレイに対するｄｎａチップの直接マッピング

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Publication number: JP2003515107A
Application number: JP2001536771A
Authority: JP
Inventors: ブルーメンフェルド，マーティン; タルガーダー，ジョセフ，ジェー．; サンダース，マーク，エー．
Original assignee: University of Minnesota
Current assignee: University of Minnesota
Priority date: 1999-11-04
Filing date: 2000-11-02
Publication date: 2003-04-22
Also published as: US7145645B2; WO2001034846A3; US20020018199A1; WO2001034846A2; US6784982B1; EP1228248A2; AU3640301A; US20070121111A1; CA2388034A1

Abstract

(57)【要約】ポリ核酸と表面とのハイブリダイゼーションのパターンを検出するデバイスであって、(a)核酸チップを収容してそのチップをサンプリング位置に保持する位置決めデバイスであって、核酸チップは平たいサンプル表面およびそのサンプル表面とある厚みによりつながった反対の表面をもつオブジェクトであり、サンプル表面はそれに固定された核酸配列を有し、それぞれの配列はある特定のチップアドレスに固定されている、前記位置決めデバイス、ならびに、(b)電子光検出器アレイであって、検出器アレイが検出器ピクセルを有し、検出器ピクセルは特定の検出器ピクセルアドレスに位置するセンサーである、前記電子光検出器アレイを含んでなり、ここに、サンプリング位置は、チップのサンプル表面を電子光検出器アレイと相対的によく規定された位置に配置して、チップアドレスを離れる光をチップアドレスと関係付けられたアドレスをもつ少なくとも1つの検出器ピクセルに実質的に指向させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】背景 DNAチップは剛性の平たい表面であり、典型的にはガラス製またはシリコン製
であって、その表面上に縦・横列にスポットした短鎖の関連核酸を有する。蛍光
標識したDNAとチップ上の特定位置との間のハイブリダイゼーションを、コンピ
ューターに基づく機器によって検出および分析することができる。DNAチップと
のハイブリダイゼーション結果から得られる情報は、薬剤開発、遺伝子探索、遺
伝子治療、遺伝子発現、遺伝カウンセリング、および植物バイオテクノロジーの
進歩を促している。

【０００２】 DNAチップを作製する技術には、フォトリソグラフィー、「オンチップ」合成
、圧電印刷、および直接印刷がある。チップ寸法、1チップ当たりのDNA沈着部位
（時に「アドレス」と称される）の数、および１「アドレス」当たりのDNAスポ
ットの幅は、沈着に用いられる技術に依存する。最も一般的に用いられる技術は
直径50〜300μmのスポットを作製する。フォトリソグラフィーは1ミクロンの小
さい直径をもつスポットを作製することができる。そのようなチップを作る技術
は当業者には公知であり、例えば、本明細書に参照により組み入れられる米国特
許第5,925,525号、第5,919,523号、第5,837,832号、および第5,744,305号に記載
されている。

【０００３】 DNAチップとのハイブリダイゼーションは、蛍光光学法により、放射性同位体
検出により、および質量分析によりモニターすることができる。最も広く利用さ
れているハイブリダイゼーションの検出方法は、蛍光標識したDNA、ならびに共
焦点蛍光顕微鏡（またはエピ蛍光顕微鏡）、顕微鏡可動ステージおよびDNA検出
用ソフトウエアを特徴とするコンピューター化システムを使用する。これらの顕
微鏡システムの技術的特徴は、本明細書に参照により組み入れられる米国特許第
5,293,563号、第5,459,325号、および第5,552,928号に記載されている。固定し
た生体分子の蛍光によるイメージングおよび画像解析のさらなる説明は、本明細
書に参照により組み入れられる米国特許第5,874,219号、第5,871,628号、第5,83
4,758号、第5,631,734号、第5,578,832号、第5,552,322号、および第5,556,539
号に記載されている。

【０００４】簡単に説明すると、DNAチップ表面を視覚化するためのこれらの従来方法は、
チップを顕微鏡ステージ上に置き、ステージを移動してサンプルを顕微鏡対物レ
ンズの焦点に配置し、デジタルカメラまたは画像を取り込むための同様のデバイ
スのシャッターを押すことを含む。対物レンズは1群のレンズからなるデバイス
であり、サンプルからの光を集め、サンプルの画像を拡大し、光が対物レンズを
通過する際に生じる不可避の画像歪みおよび色歪みを最小限に抑えるように精巧
に設計されている。サンプルから集められた光は対物レンズならびに一式のミラ
ーおよびレンズを通過した後に接眼レンズまたはカメラに到達する。光経路は、
光がサンプル表面を離れた点から接眼レンズまたはカメラなどのイメージングデ
バイスに到達するまでの光がたどる経路である。顕微鏡にはサンプル上に光を当
てる光源が組み込まれている。

【０００５】これらの顕微鏡はまた、蛍光画像を可視化する光学フィルターのセットも有す
る。DNAチップ表面とハイブリダイズしたDNAを、典型的には１つの波長で光を吸
収し次いで異なる波長を放射する蛍光分子を用いて標識する。この顕微鏡は、光
源からの光の波長は遮断するが蛍光分子により放射された光は光経路を通過させ
て接眼レンズまたはカメラに到達させる、光学フィルターのセットを備えている
。光源は通常は顕微鏡に組み込まれていて、イメージングシステムの重要な一部
である。

【０００６】これらの従来の顕微鏡は、習熟と整備を必要とする精密かつ高価な機器である
。1つの顕微鏡対物レンズは通常は複数のレンズを有する。本明細書で使用する
レンズという用語は、光線を拡大、縮小するかまたは方向を変えるように成形さ
れた透明な固体材料を意味する。光フィルターまたはミラーはレンズとは別個の
ものである。さらに、顕微鏡の使用には、だいたい通常のデスクサイズの専用作
業場所が必要である。従来の顕微鏡は、集めた光が空気を通して伝わる長さ数セ
ンチメートルの光経路およびその光経路内に他の組み合わせた光学デバイスを有
する。顕微鏡の課題の1つは、最適な像が形成されるように、顕微鏡がサンプル
表面を離れた光の全てを可能な限り効率的に捕捉できるようにすることである。

【０００７】 DNAチップを画像化するのに通常使われる機器は高価であり、そのことがDNAチ
ップ技術の広範な使用を妨げている。

【０００８】必要とされているのは、使用が容易でかつ必要な場所と整備が最小限であり、
安価かつ整備レベルの低いDNAチップ分析用スポット検出法の代替法である。

【０００９】光検出用の集積電子回路アレイ（本明細書では電子光検出器アレイと呼ぶ検出
器の一群のメンバーを意味する）および分析用の集積電子回路アレイは容易に入
手しうる。これらは一般的にCCD（電荷結合素子）またはCMOS（相補型金属酸化
膜半導体）技術に基づく。CCDおよびCMOSイメージング用検出器は共に、二次元
アレイの電子光センサーである。それぞれのアレイは、アドレスとも呼ばれる、
規定されたユニークな位置のセットからなる。CCDまたはCMOSアレイにおける各
アドレスには、典型的には箱形または矩形の形状の領域を対象とするセンサーが
向けられており、前記領域または1つのセンサーが受け持つ領域をピクセルと呼
ぶ。本明細書においては、あるピクセルに位置する光検出センサーを検出器ピク
セルと呼ぶ。検出器ピクセルは、CCDセンサー、CMOSセンサー、または光を検出
するか測定する他のデバイスであってもよい。検出器ピクセルのサイズは非常に
様々であり、光学顕微鏡の理論上の解像限界である0.2μmの直径または長さを有
するものであり得る。このように、通常の光学系の代わりに電子検出を直接使用
する本発明は、光学顕微鏡と同程度に強力である可能性がある。本明細書に使用
される光という用語は、120nm以上の波長の任意の電磁波放射を意味し、紫外線
、可視光、および赤外光を含む。

【００１０】デジタルレコーダーおよびデジタルカメラなどの消費者用途および科学用途に
広く使用されるCCDは、非常に感度が高く、かつCMOSデバイスより小さい検出器
ピクセルを用いて作製することができる。CMOSデバイスは、製造する上でより安
価であるので、今や、レコーダーおよびカメラに組み込まれ始めている。CMOSデ
バイスはまた、外部制御システムとの接続がCCDより容易である。複数の容易に
入手しうるCMOSデバイスは、追加回路なしに画像を取得し、デジタル化しかつ伝
送することができるが、CCDアレイは同じ作業を完遂するのに2つ以上の追加回路
エレメントが必要である。

【００１１】発明の概要本発明は、光透過性DNAチップにより放射される光スポットを解像するための
安価なデバイスおよび方法を記載する。本発明の方法は、単一DNAスポットより
放射される光を、電子光検出器アレイシステムの対応する検出器ピクセル上へ直
接マッピングするものである。1つの方法は、DNAチップを電子光検出器アレイシ
ステムと直接、物理的に接触させる方法である。この基本方法の変形では、単一
のマッピングレンズなどの簡単な光学系により、DNAアレイの拡大または縮小バ
ージョンを電子光検出器アレイ上にマッピングする。コンピューターソフトウエ
アが電子光検出器アレイシステムからのデータを処理する。データは二次元マッ
プとして扱ってもよいし、さもなければアレイとして処理してもよい。

【００１２】記載した方法の実施により、現在DNAチップ分析用に使われている高価な光学
検出システムを、安価なシステムに置き換えることができる。このシステムは電
子光検出器アレイ、フィルター、および、場合によってはマッピングレンズシス
テムを含んでなる。本発明により、DNAチップを電子光検出器アレイ上にマッピ
ングすることが可能になる。このように、DNAチップ表面上の各位置には、検出
器アレイ上に対応する位置または位置のセットがあり、そのことによってDNAチ
ップ表面上のアドレスにおける蛍光は規定されたピクセルまたはピクセルのセッ
ト上に投射される。

【００１３】直接マッピングは安価である。直接マッピングによって整備と習熟作業者を要
する複雑な顕微鏡の必要がなくなる。直接マッピングはサンプルから直接得られ
る光を捕捉することから、多数のレンズを排除することによって、多数のレンズ
を使用することにより生じる不利益が少なくなる。直接マッピングにより光の直
接捕捉が可能となり、それによってサンプルから最大限の光量を捕捉できること
から、光の損失が最小限になるので、非常に高感度のイメージングシステムを作
ることができる。

【００１４】電子光検出器アレイシステムは、CMOSまたはCCDチップなどの電子光検出器ア
レイおよび視覚化のための関連機器を含む。この関連機器は、フィルター、レン
ズおよび光源を含む。フィルターは、光波長を反射するか、または選択的に通過
させるかもしくは遮るために使用するいかなるフィルターであってもよい。その
ようなフィルターは、エッジフィルター、狭帯域フィルター、ダイクロイックミ
ラー、ならびに、光学顕微鏡、紫外線顕微鏡、共焦点顕微鏡および二光子もしく
は多光子顕微鏡などの視覚化技術で用いられるフィルターが挙げられる。光源は
、光学顕微鏡、紫外線顕微鏡、共焦点顕微鏡および二光子もしくは多光子顕微鏡
などの視覚化技術で通常用いられる光源が挙げられる。光源は、さらに可視光ラ
ンプ、紫外ランプ、水銀ランプなどの光ランプおよび光レーザー、例えばアルゴ
ンレーザー、ヘリウム-カドミウムレーザー、半導体レーザーなどのレーザーが
挙げられる。

【００１５】これらのデバイスと関連して様々な関連機器が見出されており、当業者には公
知である。そのような機器は、手動または電動フィルター切換器、可動ミラー、
およびモーターを含み、レーザーがサンプルを横切ってラスターするように制御
する。CCDおよびCMOSセンサーは様々な機器に関連づけられ、多数の市販のカメ
ラおよび検出器に組み込まれている。例として、赤色、緑色、および青色を検出
してカラー画像を生成する様々な機器と技術が公知である。例えば、画像を3つ
の画像に分割し、それぞれの画像を赤色、緑色、または青色フィルターを通して
CCDセンサーに送る。あるいは、赤色、緑色、および青色光に対して異なる感度
を有するCCDセンサーをチップ上に配置してもよい。そのような機器は、画像を
改良するための技術および電子手段を含むが、それらは電子フィルター（高域、
低域など）、時間およびフレーム平均化、画像サブトラクション、および当業者
には公知のその他の技術が挙げられる。

【００１６】検出システムは、通常の蛍光団からの蛍光を励起し、検出し、フィルターにか
けかつ処理するように構成することができる。それらの蛍光団は、例えば、Life
Technologies,Inc.(Rockville,MD)、Sigma-Aldrich,Inc.(SIGMA,ALDRICH,およ
びFLUKA商標；St. Louis,MO)、Pierce Chemicals(Rockford,IL)、および当業者
には公知の他の供給者より出版されたカタログに記載されている。同様に、その
他のDNA視覚化技術が現在公知でありかつ使われていて、これらの技術の多数の
例が前記出典に記載されている。例として、可視光波長の色を生成する比色シス
テム、例えば染色または酵素活性に基づく比色システムを、DNAを視覚化するた
めに適用してもよい。そして、比色または蛍光システムと組合せて使用しうる増
幅システム、例えば、アビジン-ビオチンまたは抗体に基づく技術を利用しても
よい。例えば、ビオチンを用いて標識した標的DNAをDNAチップ上に配置してもよ
い。洗浄プロトコルを実施した後、サンプルを、ビオチンと強力な結合を形成す
る標識アビジンに曝してもよい。アビジンへの標識は、蛍光団（または比色アッ
セイに適している西洋わさびペルオキシダーゼ（HRP）などの酵素）であっても
よい。さらに、DNAを化学発光または化学蛍光により標識し、次いで検出しても
よい。

【００１７】 DNAを、光を透過する基材に、当業者には周知の様々な方法によって結合して
もよい。例えば、ガラスまたは石英をシランを用いて処理して、カルボキシル基
またはアミン基を生成し、それらをDNAを固定するためのさらなる化学反応に用
いることもできる。そのような技術および当業者に公知の他の各種技術は、参照
により組み入れられる上記の特許の他に、参照により本明細書に組み入れられる
次の参考文献に記載されている：Laursenら,「生化学分析のタンパク質配列解析
法における固相法（Solid Phase Methods in Protein Sequence Analysis Metho
ds of Biochemical Analysis）」,vol.26 John Wiley & Sons,Inc.1980,pp.202-
215；「ジスルフィド結合を介したオリゴヌクレオチドのガラス支持体上への固
定：DNAマイクロアレイの製造法（Immobilization of oligonucleotides onto a
glass support via disulfide bonds: A method for preparation of DNA micr
oarrays）」,Rogers YH,Jiang-Baucom P,Huang ZJ,Bogdanov V,Anderson S,Boyc
e-Jacino MT,Anal Biochem 1999 Jan 1;266(1):23-30；「DNAオリゴヌクレオチ
ドのガラスへの共有結合（Covalent attachment of DNA oligonucleotides to g
lass）」,Cohen G,Deutsch J,Fineberg J,Levine A,Nucleic Acids Res 1997 Fe
b 15;25(4):911-2；「DNA標的とガラス係留オリゴヌクレオチドプローブとのハ
イブリダイゼーション（Hybridization of DNA targets to glass-tethered oli
gonucleotide probes）」,Beattie WG,Meng L,Turner SL,Varma RS,Dao DD,Beat
tie KL,Mol Biotechnol 1995 Dec;4(3):213-25；「酸化セリウムを用いるDNA配
列決定用のガラス板の調製（Preparation of glass plates with cerium oxide
for DNA sequencing）」,Millard D,de Couet HG,Biotechniques 1995 Oct;19(4
):576；「生物学的機能性材料（Biologically Functional Materials）」,Alla
n S. Hoffman,in Biomaterials Science,B.D.Ratner,A.S.Hoffman,F.J.Schoen,
およびJ.E.Lemons,編,pp.124-130。

【００１８】本発明は、DNAまたはハイブリダイズしうる分子の他の組合せ、例えばRNA-DNA
もしくはDNA-タンパク質の相互作用に利用することができる。一例としてDNA-DN
Aハイブリダイゼーションを使用しているが、本発明は、RNA-RNAハイブリダイゼ
ーションを含む全てのポリ核酸ハイブリダイゼーション技術を包含する。本明細
書で使用されるポリ核酸は、DNA、RNA、2以上のオリゴヌクレオチドまたはオリ
ゴヌクレオシド、および全ての長いもしくは短い核酸の配列を意味する。本明細
書で使用される「DNAチップ」または「ポリ核酸チップ」は小さい固体基質上に
固定されたDNA配列だけを意味するのではなく、RNAなどをも意味し、そして一般
的には生体分子が固定されたデバイスを意味する。

【００１９】本発明は、ポリ核酸とある表面とのハイブリダイゼーションのパターンを検出
するためのデバイスおよび方法である。本発明のデバイスは、(a)核酸チップを
収容してそのチップをサンプリング位置に保持する位置決めデバイスであって、
核酸チップは平たいサンプル表面およびそのサンプル表面とある厚みによりつな
がった反対の表面をもつオブジェクトであり、サンプル表面はそれに固定された
核酸配列を有し、それぞれの核酸配列はある特定のチップアドレスに固定されて
いる、前記位置決めデバイス、ならびに、(b)電子光検出器アレイであって、検
出器アレイが検出器ピクセルを含み、検出器ピクセルは特定の検出器ピクセルア
ドレスに位置するセンサーである、前記電子光検出器アレイを含んでなり、ここ
に、サンプリング位置は、チップのサンプル表面を電子光検出器アレイと相対的
によく規定された位置に配置して、チップアドレスを離れる光をチップアドレス
と関係付けられたアドレスをもつ少なくとも1つの検出器ピクセルに実質的に指
向させる。

【００２０】図面の詳細な説明電子直接マッピングは、接触プリントとして知られる、確立された写真撮影法
に類似する。接触プリントにおいては、写真ネガを未現像印画紙と直接接触させ
るように配置し、短時間露光する。次いで印画紙を現像すると、その画像はネガ
と1:1で対応する。

【００２１】 DNAチップ上で現在到達しうる最小直径DNAスポットは、通常CMOSデバイス内の
各検出器ピクセルの直径または長さ、ほぼ10μmである。従って、もしDNAアレイ
とCMOSアレイがお互いに密接していれば、DNAアレイの各メンバーから放射され
る光は、センサーアレイ内の検出器の限られた数のピクセルに直接マッピングす
ることができる。本発明の直接マッピング法は、DNAチップ分析に必要である高
価な光学系を排除し、コストを削減することによりDNAチップ技術の応用可能性
を拡大しうる。

【００２２】図１は、CMOSに基づく検出システム1のような、視覚画像2を取得して表示する
ために使われる電子光検出器アレイ検出システムの電子コンポーネントおよび一
般的機能を図解する。マッピングレンズ3は光画像を収集して、該画像をCMOS検
出器4上に焦点を結ぶ。多数の検出器ピクセル5を含んでなる検出器が回路板6上
に取付けられていて、回路板は検出器用の直流電力供給7を含む。検出器はその
検出ピクセルが検出した電気シグナルをデジタル型に変換する電子回路を有し、
通信ケーブル9を経由するデジタル化シグナルのコンピューター8への伝送を可能
にする。コンピューターにおいて、デジタルシグナルをコンピューターのビデオ
メモリーにマップし、ケーブル10によりモニター11に送られ、再構築した画像12
を表示する。

【００２３】図2は、開口部16を通してチップ上に向けられた紫外または青色光15により励
起されたDNAチップ14より放射される画像13を取得しかつ表示するために用いる
方法を図解する。放射された光は、励起光を除去する光学フィルター17を通過し
、CMOS検出器4の検出器ピクセル5上に衝突する。CMOS検出器4はアナログ光イン
パルスをデジタル型に変換する回路機構を含むのでコンピューター8に伝送する
ことができ、最終的には再構築画像18をモニター11に表示する。クランプシステ
ム19が検出器、フィルター、およびDNAチップをお互いに接触して保持する。耐
光性暗箱20が光学系を収容する。本明細書に記載の光学フィルターは、或る波長
の光の通過を遮断しかつ他の波長の光を通過させる光フィルターを意味する。

【００２４】図3は、直接マッピング法用の光学検出システムの2つの代替案を図解する。図
3Aにおいては、DNAチップは光学フィルターと接触する。チップ上の画像は直接C
MOS検出器に伝送される。図3Bにおいては、DNAチップは、チップより放射される
画像を検出器表面上に焦点を結ぶのに適当な焦点長を有するマッピングレンズ3
と直列にある。

【００２５】この検出法の理論解像力は、DNA蛍光源と画像検出器ピクセルの間の距離と直
接関係するであろう。実解像力はまた、DNAからの放射光、ならびにDNA蛍光画像
を抽出し再構築するソフトウエアの精巧さの関数であろう。単純なマッピングレ
ンズまたはレンズシステムを含む構成の理論解像力は、マッピングレンズの光学
的品質および光回折により限定されるであろう。

【００２６】しかし、本発明のシステムの最終到達目標は、高コストかつ高解像のイメージ
ング光学系をもつことではない、というのは、適当なソフトウエアを用いる低コ
ストの光学系はDNAピクセルのアレイを容易にマップしうるからである。

【００２７】直接マッピングの解像力は、検出器ピクセル直径（ほぼ10μm）もしくはスポ
ット直径の大きい方＋チップ厚み（10μm）＋フィルター厚み（10μm）の和とし
て計算することができる。従って、10μm DNAスポットからの画像は、9検出器ピ
クセルを含有する30μm x 30μm面積の検出器上にマップしうる一方、50μm DNA
スポットからの画像は、49検出器ピクセルを含有する70μm x 70μm面積上にマ
ップしうる。HDCS-1100（Hewlett-Packard Components Group; Corvallis, OR）
などのCMOSデバイスは、352 x 288検出器ピクセルアレイを有し、直径10μmのス
ポットの約1000個、そして直径50μmのスポットの約2000個を解像することがで
きる。

【００２８】微かな画像を現像するためにより長い写真露出を用いるのとほぼ同じ方法で、
適当な電子光検出器アレイデバイス上の検出器ピクセルは、光放射量を時間につ
いて積分することができる。この時間積分により、蛍光シグナルがデバイスの暗
電流およびバックグラウンド光を超える限り、コンピューターを利用する共焦点
顕微鏡を用いて検出し得るいずれの光インパルスの検出も可能になるであろう。
本発明の光学系（例えば、単一マッピングレンズ）は画像を拡大または縮小して
もよい。マッピングレンズにより、DNAからの放射光をCMOSデバイスの検出器ピ
クセル上に最適となるよう投影してもよい。例えば、縮小マッピングレンズは放
射光を50μmスポットから個々の検出器ピクセル上にマップすることができる。

【００２９】図4は、本発明の実施形態のブロックダイアグラムである。DNAチップから放射
された光は光学フィルターを通過し、CMOS検出器に伝送され、そこでデジタル化
され、コンピューターに中継され、次いでコンピューターのモニター上で画像と
して表示される。

【００３０】本発明は、レーザーに基づく視覚化技術（図5）と両立しうる。例えば、レー
ザー40を使ってレーザー光41を発生し、レーザー光をミラー35にて反射して、DN
Aチップ14上に固定されたDNAとハイブリダイズした標識DNA30上に向ける。蛍光
標識と結合していると、ハイブリダイズしたDNA30は蛍光発光して蛍光を放射す
る。フィルター17は選択的に蛍光を通すがレーザー光41を通さない。蛍光はCCD
センサー25上に直接マップされる。レーザーはサンプルを横切ってラスター化し
、一度にサンプルの選択部だけを照明することができる。

【００３１】レーザーに基づくシステム、またはランプ型光源を用いるシステム15をダイク
ロイックミラー配置とともに使用してもよい（図6）。ランプ型光源15は光43を
放射し、光43はダイクロイックミラー36で反射され、固定され標識されたハイブ
リダイズしたDNA30上に向かう。ハイブリダイズしたDNA30上の標識が蛍光標識で
ある場合、光43による励起に応答して次いで蛍光が放射され、ダイクロイックミ
ラー36を通過し、直接CCD検出器25上にマップされうる。コンピュータースクリ
ーン上またはコンピューターメモリー内の画像は、既に記載された技術を用いて
検出器から作製することができる。

【００３２】代わりの方法（図6）は、ネガ画像を作製することであろう。当業者であれば
本明細書の開示を読んだ後に、ネガ画像を作製する多数の手段と組合せはすぐ明
らかになるであろう。ここで数例を挙げるが、本発明を限定するものではない。
ネガ画像は、DNAを明視野における暗スポットとして見えるようにして作製する
ことができる。例えば、自己蛍光成分を用いてDNAチップ14を作って作製した明
るい蛍光視野を、光を消光もしくは遮断するハイブリダイズしたDNAの標識とと
もに使用してもよい。そうすると、ハイブリダイズしたDNAはコンピューター作
製画像上で暗スポットとして現われるだろう。蛍光を消光する化合物は当業者に
は公知である。あるいは、ハイブリダイズしたDNAを、DNAチップ14に固定した後
に標識してもよい。例えば、可視光の通過を遮断する染色を利用してもよい。ま
たはDNAにすでに標識を組み込んでおき、DNAを固定した後に比色定量的に発色さ
せてもよく；例えば、ハイブリダイズしたDNAは酵素を含有し、チップを適当な
基質に曝すと着色沈殿物を形成させてもよく、例えば西洋ワサビペルオキシダー
ゼ（HRP）システムを使用することができる。または固定されたDNAはハイブリダ
イズするDNA上のエレメントにより消光される蛍光分子を有してもよい。

【００３３】マッピングレンズ3を使用して、ダイクロイックミラー36を組み込んでいるシ
ステムの直接マッピングを強化してもよい（図7）。マッピングレンズ3はダイク
ロイックミラー36を通過する光の焦点を合わせて、DNAチップ30上のDNAのピクセ
ルはCCD検出器25の検出器ピクセル上にマップされる。

【００３４】本発明のある実施形態においては、光学フィルターがなくてもよい（図8B、8C
）。光を透過するDNAチップ14をハイブリダイズしたDNAとともに処理して、ハイ
ブリダイズしたDNAが光を全面的にまたは部分的に遮断する暗スポットとして見
えるようにする。光源からの光43は、DNAチップ14を通過するが、ハイブリダイ
ズした光遮断性DNA32により遮断される。CCD検出器25上に形成されて得たマップ
は、DNAとハイブリダイズしたアドレスを示す。DNAとのハイブリダイゼーション
の前もしくは後にまたはDNAチップ14への固定の前もしくは後にDNAを標識する多
くの蛍光および非蛍光技術が当業者には公知である。この実施形態の一変形は、
光遮断性DNA32を有するDNAチップ14の表面を光源の反対側に配置することである
。カバー52をDNA32とCCD検出器25との間に挿入し、CCD検出器がDNA32により汚れ
ないようにしてもよい。カバー52は、コーティングなどの単なる保護フィルム、
またはカバースリップ、ポリエチレンフィルムなどのプラスチック・ラップ、ま
たは光41の波長を透過する他の材料であってもよい。光43は本明細書に光として
記載されたいずれの波長であってもよく、そしてDNA32は、当業者には公知であ
る透過を遮断するいずれの媒体であってもよい。

【００３５】本発明のフィルター、レンズ、およびDNAチップは様々な組合せ（図9A、9B）
で使用することができる。例えば、レンズとフィルターをレンズ-フィルター50
に組合せて、DNAチップ14とCCD検出器25との間に挿入してもよい。または、DNA
チップをDNAチップ-フィルター51として作製し、DNA固定用の固体基質を提供し
、かつ光源からまたは固定したDNA30からの光をフィルターする作用をしてもよ
い。フィルター用の材料またはコーティングは光学技術分野の当業者には周知で
ある。

【００３６】本発明の複数の実施形態を本明細書に記載した。これらの実施形態は本発明を
説明するものであって、全ての実施形態を包含するかまたは本発明の範囲を限定
するものとして解釈されるべきではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は電子光検出器アレイ・システムのコンポーネントおよび全体機能を図解
する。

【図２】図２はDNAチップより放射される光を取得しかつ再構築する直接マッピングの
利用を図解する。

【図３】図３は直接マッピング用の光学コンポーネントの配置の2つの代替案を図解す
る。

【図４】図４は本発明の実施形態のブロックダイアグラムである。

【図５】図５はレーザ光源を用いる本発明の実施形態を図解する。

【図６】図６はダイクロイックミラーを用いる本発明の実施形態を図解する。

【図７】図７はダイクロイックミラーおよびマッピングレンズを用いる本発明の実施形
態を図解する。

【図８】図8AはハイブリダイズしたDNAを有するDNAチップを図解する。図8Bは光学フィルターを用いない本発明の実施形態を図解する。図8Cはカバーフィルターを用いて、光学フィルターを用いない本発明の実施形
態を図解する。

【図９】図9Aはマッピングレンズ-フィルターの組合せを用いる本発明の実施形態を図
解する。図9Bはチップ-フィルターの組合せを用いる本発明の実施形態を図解する。

───────────────────────────────────────────────────── 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）Ｈ０１Ｓ 3/00 Ｈ０１Ｌ 31/00 Ａ // Ｃ１２Ｎ 15/09 Ｃ１２Ｎ 15/00 Ｆ (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者タルガーダー，ジョセフ，ジェー．アメリカ合衆国 55347 ミネソタ州，エデンプライリー，オードゥボンコート 10497 (72)発明者サンダース，マーク，エー．アメリカ合衆国 55414 ミネソタ州，ミネアポリス，27ティーエイチアヴェニューエス．イー．1031 Ｆターム(参考） 4B024 AA19 AA20 CA01 HA12 4B063 QA18 QQ42 QQ52 QR32 QR55 QR82 QS34 QX01 4M118 AB01 BA14 CB11 CB20 FA06 GD03 5F072 AA02 AA03 AB13 RR03 RR05 YY20 5F088 AA01 EA03 HA05 HA10 LA03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ポリ核酸と表面とのハイブリダイゼーションのパターンを検
出するデバイスであって： (a)核酸チップを収容しそのチップをサンプリング位置に保持する位置決め手段
であって；核酸チップは平たいサンプル表面およびそのサンプル表面とある厚みによりつ
ながった反対の表面をもつオブジェクトであり、サンプル表面はそれに固定され
た核酸配列を有し、それぞれの配列はある特定のチップアドレスに固定されてい
る、前記位置決め手段； (b)選択的に光を透過する光学フィルター； (c)電子光検出器アレイであって、検出器アレイが検出器ピクセルを有し、検出
器ピクセルは特定の検出器ピクセルアドレスに位置するセンサーである、前記電
子光検出器アレイ；および (d)原光を発生する光源を含んでなり、ここに、サンプリング位置は、チップのサンプル表面を電子光検出器アレイと相
対的によく規定された空間関係に配置して、サンプル表面上のチップアドレスに
触れる原光をチップアドレスと関係付けられたアドレスをもつ少なくとも1つの
検出器ピクセルに実質的に指向させる、前記デバイス。
【請求項２】チップアドレス対検出器ピクセルの関係が1対1であり、それ
により1つのチップアドレスに触れる光は実質的に1つの検出器ピクセルに指向さ
せられる、請求項１記載のデバイス。
【請求項３】 1以上の検出器ピクセルが1つのチップアドレスと関係づけら
れている、請求項１記載のデバイス。
【請求項４】チップのサンプル表面を離れる光が検出器ピクセルに到達す
る前にチップ厚みを通過する、請求項１記載のデバイス。
【請求項５】チップのサンプル表面を離れる光が光学フィルターを通過す
る、請求項４記載のデバイス。
【請求項６】チップのサンプル表面を離れる光線の方向を変えるマッピン
グレンズを含んでなり、マッピングレンズがサンプル表面と検出器ピクセルの間
に位置する、請求項５記載のデバイス。
【請求項７】マッピングレンズが縮小レンズである、請求項６記載のデバ
イス。
【請求項８】マッピングレンズが拡大レンズである、請求項６記載のデバ
イス。
【請求項９】マッピングレンズが光を収束する手段を含んでなる、請求項
６記載のデバイス。
【請求項１０】マッピングレンズと光学フィルターが1つの装置に組み合
わせられている、請求項６記載のデバイス。
【請求項１１】核酸がDNAである、請求項４記載のデバイス。
【請求項１２】チップが石英製である、請求項４記載のデバイス。
【請求項１３】チップがガラス製である、請求項４記載のデバイス。
【請求項１４】チップが光透過性プラスチック製である、請求項４記載の
デバイス。
【請求項１５】プラスチックがポリスチレンである、請求項１４記載のデ
バイス。
【請求項１６】チップが光学フィルターを含んでなるチップを有する、請
求項４記載のデバイス。
【請求項１７】チップのボトム表面が光学コーティングによりコートされ
ている、請求項１６記載のデバイス。
【請求項１８】チップがさらにマッピングレンズを含んでなる、請求項６
記載のデバイス。
【請求項１９】チップのボトム表面がマッピングレンズとして機能する曲
面の表面を含んでなる、請求項１８記載のデバイス。
【請求項２０】チップがフィルターと直接物理的接触している、請求項５
記載のデバイス。
【請求項２１】チップのボトム表面がフィルターと接触している、請求項
２０記載のデバイス。
【請求項２２】フィルターと検出器アレイが直接物理的接触している、請
求項２１記載のデバイス。
【請求項２３】チップが電子光検出器アレイと直接物理的接触している、
請求項１７記載のデバイス。
【請求項２４】チップのボトム表面がフィルターと直接物理的接触してい
る、請求項５記載のデバイス。
【請求項２５】検出器アレイ検出器ピクセルが光学フィルターと直接接触
している、請求項４記載のデバイス。
【請求項２６】検出器アレイ検出器ピクセルの全てが光学フィルターと直
接接触している、請求項２５記載のデバイス。
【請求項２７】ポリ核酸と表面との核酸ハイブリダイゼーションのパター
ンを検出するデバイスであって： (a)核酸チップを収容してそのチップをサンプリング位置に保持する位置決め手
段であって；核酸チップは平たいサンプル表面およびそのサンプル表面とある厚みによりつ
ながった反対の表面をもつオブジェクトであり、サンプル表面はそれに固定され
た核酸配列を有し、それぞれの配列はある特定のチップアドレスに固定されてい
る、前記位置決め手段；および (b)電子光検出器アレイであって、検出器アレイが検出器ピクセルを有し、検出
器ピクセルは特定の検出器ピクセルアドレスに位置するセンサーである、前記電
子光検出器アレイを含んでなり、ここに、サンプリング位置は、チップのサンプル表面を電子光検出器アレイと
相対的によく規定された位置に配置して、サンプル表面上のチップアドレスに触
れる光源からの原光をチップアドレスと関係付けられたアドレスをもつ少なくと
も1つの検出器ピクセルに実質的に指向させる、前記デバイス。
【請求項２８】チップアドレス対検出器ピクセルの関係が1対1である、請
求項２７記載のデバイス。
【請求項２９】 1以上の検出器ピクセルが1つのチップアドレスと関係づけ
られている、請求項２７記載のデバイス。
【請求項３０】チップのサンプル表面を離れる光が検出器ピクセルに到達
する前にチップ厚みを通過する、請求項２７記載のデバイス。
【請求項３１】チップのサンプル表面を離れる光が光学フィルターを通過
する、請求項２７記載のデバイス。
【請求項３２】光学フィルターはサンプル表面で発生した光だけを実質的
に検出器を通過させる、請求項３１記載のデバイス。
【請求項３３】光学フィルターが原光を実質的に遮断する、請求項３２記
載のデバイス。
【請求項３４】チップと検出器アレイが直接物理的接触している、請求項
２７記載のデバイス。
【請求項３５】 DNAチップのサンプル表面に触れる光の全波長を検出器ア
レイを通過させる、請求項３４記載のデバイス。
【請求項３６】サンプル表面と検出器アレイの間の光経路に光学フィルタ
ーを使われない、請求項３５記載のデバイス。
【請求項３７】原光の全波長を検出器ピクセルに到達させる、請求項３５
記載のデバイス。
【請求項３８】ニュートラルデンシティフィルターを含んでなり、ニュー
トラルデンシティフィルターがサンプル表面と検出器アレイの間の光経路に配置
され、そしてニュートラルデンシティフィルターを使っていずれの波長の光もフ
ィルターアウトすることなしに原光のいくらかを遮断する、請求項３５記載のデ
バイス。
【請求項３９】サンプル表面上の暗スポットの位置を直接検出器アレイ上
にマップし、暗スポットが光の通過を実質的に遮断するスポットである、請求項
２７記載のデバイス。
【請求項４０】光源を使ってサンプル表面を照明し、サンプル表面から離
れる光を検出器アレイ上に投影し、暗スポットが周囲のサンプル表面より光を多
く遮断するサンプル表面上のスポットであるので、サンプル表面上の暗スポット
は少なくとも1つの検出器ピクセルが受ける光を少なくし、それによってサンプ
ル表面上の暗スポットのアドレスを検出する、請求項２７記載のデバイス。
【請求項４１】ポリ核酸とある表面とのハイブリダイゼーションのパター
ンを検出するデバイスであって： (a)核酸チップを収容してそのチップをサンプリング位置に保持する位置決め手
段であって；核酸チップは平たいサンプル表面およびそのサンプル表面とある厚みによりつ
ながった反対の表面をもつオブジェクトであり、サンプル表面はそれに固定され
た核酸配列を有し、それぞれの配列はある特定のチップアドレスに固定されてい
る、前記位置決め手段；および (b)電子光検出器アレイであって、検出器アレイが検出器ピクセルを含み、検出
器ピクセルは特定の検出器ピクセルアドレスに位置するセンサーである、前記電
子光検出器アレイを含んでなり、ここに、サンプリング位置は、チップのサンプル表面を電子光検出器アレイと
相対的によく規定された位置に配置して、チップアドレスを離れる光をチップア
ドレスと関係付けられたアドレスをもつ少なくとも1つの検出器ピクセルに実質
的に指向させる、前記デバイス。
【請求項４２】チップアドレス対検出器ピクセルの関係が1対1である、請
求項４１記載のデバイス。
【請求項４３】 1以上の検出器ピクセルが1つのチップアドレスと関係付け
られている、請求項４１記載のデバイス。
【請求項４４】さらに少なくとも1つの光学レンズを有し、サンプル表面
の画像を電子光検出器アレイ上にマップするために使われる光学レンズがゼロで
ある、請求項４１記載のデバイス。
【請求項４５】サンプル表面の画像を電子光検出器アレイ上にマップする
ために使われる光学レンズの数が1である、請求項４４記載のデバイス。
【請求項４６】サンプル表面の画像を電子光検出器アレイ上にマップする
ために使われる光学レンズの数が2である、請求項４４記載のデバイス。
【請求項４７】チップのサンプル表面を離れる光が検出器ピクセルに到達
する前にチップ厚みを通過する、請求項４１記載のデバイス。
【請求項４８】チップのサンプル表面を離れる光が化学発光により発生す
る、請求項４１記載のデバイス。
【請求項４９】チップのサンプル表面を離れる光が蛍光により発生する、
請求項４１記載のデバイス。
【請求項５０】サンプル表面を離れる光が二光子励起により発生する、請
求項４１記載のデバイス。
【請求項５１】サンプル表面を離れる光が多光子励起により発生する、請
求項４１記載のデバイス。
【請求項５２】サンプル表面を離れる光が蛍光により発生しかつサンプル
表面に結合するポリ核酸が蛍光の消光を起こす、請求項４１記載のデバイス。
【請求項５３】サンプル表面を離れる光が蛍光により発生しかつサンプル
表面に結合するポリ核酸は蛍光の消光を起こす分子を結合している、請求項５２
記載のデバイス。
【請求項５４】サンプル表面を離れる光は、原光を発生する光源により発
生する、請求項４１記載のデバイス。
【請求項５５】原光がヒトの眼により検出しうる光である、請求項５４記
載のデバイス。
【請求項５６】サンプル表面を離れる光が原光を発生する光源により発生
し、サンプル表面に結合するポリ核酸がサンプル表面を離れる光強度の低下を起
こす分子と結合している、請求項４１記載のデバイス。
【請求項５７】サンプル表面を離れる光が光学フィルターを通過する、請
求項４１記載のデバイス。
【請求項５８】光学フィルターはサンプル表面で発生した光だけを実質的
に検出器を通過させる、請求項５７記載のデバイス。
【請求項５９】光学フィルターはサンプル表面で発生した以外の光を実質
的に遮断する、請求項５８記載のデバイス。
【請求項６０】チップと検出器アレイが直接物理的接触している、請求項
４１記載のデバイス。
【請求項６１】チップが光学フィルターを含んでなる、請求項３４記載の
デバイス。
【請求項６２】チップがさらにマッピングレンズを含んでなる、請求項３
４記載のデバイス。
【請求項６３】 DNAチップのサンプル表面に触れる光の全波長を検出器ア
レイを通過させる、請求項４１記載のデバイス。
【請求項６４】サンプル表面と検出器アレイの間の光経路に光学フィルタ
ーが使われない、請求項６３記載のデバイス。
【請求項６５】原光の全波長を検出器ピクセルに到達させる、請求項６３
記載のデバイス。
【請求項６６】光経路の長さが15ミクロンから1センチメートルの間にあ
る、請求項６５記載のデバイス。
【請求項６７】ポリ核酸チップ上のポリ核酸のスポットをイメージングす
るシステムであって： (a)原光を放射する光源手段; (b)検出器ピクセルを含む光検出器手段; (c)チップを保持する保持手段であって、チップはトップサンプル表面およびボ
トムサンプル表面を含んでなり、サンプル表面はアドレスを有し、保持手段はサ
ンプル表面アドレスを離れる光が少なくとも1つの検出器ピクセル上にマップさ
れるように光検出手段と相対的に位置が決められる前記保持手段; (d)チップからの電子データを処理する電子データ処理手段; (e)電子光検出器アレイから電子データ処理手段へデータを伝送するデータ伝送
手段;および (f)サンプル表面を離れかつ光検出器手段により検出しうる光の全てが通らなけ
ればならない光経路である、サンプル光経路を有するシステム; を含んでなる前記システム。
【請求項６８】サンプル光経路の全ての点が1.0より大きい屈折率を有す
る、請求項６７記載のシステム。
【請求項６９】サンプル光経路が固体材料から構成される、請求項６８記
載のシステム。
【請求項７０】サンプル光経路がサンプル表面の画像を拡大する光学レン
ズを含まない、請求項６７記載のシステム。
【請求項７１】サンプル光経路がサンプル表面の画像を縮小する光学レン
ズを含まない、請求項６７記載のシステム。
【請求項７２】サンプル光経路が1センチメートルより小さい、請求項６
７記載のシステム。
【請求項７３】サンプル光経路が1ミリメートルより小さい、請求項６７
記載のシステム。
【請求項７４】サンプル光経路が200ミクロンより小さい、請求項６７記
載のシステム。
【請求項７５】サンプル光経路が75ミクロンより小さい、請求項６７記載
のシステム。
【請求項７６】サンプル光経路が35ミクロンより小さい、請求項６７記載
のシステム。
【請求項７７】サンプル光経路が15ミクロンより小さい、請求項６７記載
のシステム。
【請求項７８】チップが固定された核酸配列を有するトップサンプル表面
および反対の表面を有し、チップが光透過材料から作られている、ポリ核酸チッ
プ。
【請求項７９】チップが光学フィルターを含んでなる、請求項７８記載の
チップ。
【請求項８０】フィルターがチップの反対の表面上のコーティングからな
る、請求項７９記載のチップ。
【請求項８１】光学コーティングが蛍光により放射される光波長を通過さ
せるが、300〜600ナノメートルの範囲の他の光波長を実質的に遮断する、請求項
８０記載のチップ。
【請求項８２】チップが光学レンズを含んでなる、請求項７９記載のチッ
プ。
【請求項８３】チップが光学レンズを含んでなる、請求項７８記載のチッ
プ。
【請求項８４】光学レンズの焦点長が10〜750ミクロンの範囲にある、請
求項８３記載のチップ。
【請求項８５】光学レンズの焦点長が10〜400ミクロンの範囲にある、請
求項８３記載のチップ。
【請求項８６】光学レンズの焦点長が10〜250ミクロンの範囲にある、請
求項８３記載のチップ。
【請求項８７】光学レンズの焦点長が5〜40ミクロンの範囲にある、請求
項８３記載のチップ。
【請求項８８】ポリ核酸チップ上のポリ核酸のスポットを検出する方法で
あって、次のステップを含んでなる前記方法： (a)ポリ核酸チップをホルダーに取付けるステップ、 (b)ホルダーをサンプリング位置に位置決めするステップであって、サンプル位
置は光検出器と相対的な位置であり、チップのトップサンプル表面と光検出器と
の間のサンプリング距離を確立し、チップのほぼ表面の点から放射される光が短
い光経路沿いに光検出器へ通る前記ステップ、および (c)光検出器により発生するシグナルを検出する検出手段を使うステップ。
【請求項８９】短い光経路が4ミリメートル未満である、請求項８８記載
の方法。
【請求項９０】短い光経路が200ミクロン未満である、請求項８８記載の
方法。
【請求項９１】光経路が実質的に直線である、請求項８８記載の方法。
【請求項９２】位置決め手段を使ってホルダーをローディング位置からサ
ンプリング位置に運ぶステップを含んでなる、請求項８９記載の方法。
【請求項９３】位置決め手段がスライド機構を含んでなる、請求項９２記
載の方法。
【請求項９４】位置決め手段がモーターを含んでなる、請求項９３記載の
方法。
【請求項９５】ホルダーがローディング位置にある間にチップをホルダー
にロードし、そしてスイッチを入れてモーターを動かし、ホルダーをサンプリン
グ位置にスライドする、請求項９４記載の方法。
【請求項９６】さらに焦点合わせのステップを含んでなり、焦点合わせの
ステップが (i)ホルダーを新しい位置に動かすステップ、 (ii)光検出器、検出手段、およびグラフィック表示手段を使ってサンプルの表面
を視覚化するステップ、および (iii)ユーザーが所望するサンプリング距離となるまでステップ(i)および(ii)を
繰り返すステップを含んでなる、請求項８８記載の方法。
【請求項９７】焦点併せのステップがプログラムできるコンピューターに
より自動的に実施される、請求項９６記載の方法。