JP2004333333A - Dna microarray substrate and reading device - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、DNAマイクロアレイ基板の構成および測定装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
DNAマイクロアレイはスライドグラスなどの基板上に、数千個のDNAプローブを固定したもので、蛍光分子等で標識した試料(ターゲット)を流し、プローブとハイブリタイズさせて、ハイブリッド形成による蛍光発光の強弱を測定して、試料に含まれる遺伝子の発現量を推定するものである。
これによって、多数の遺伝子の発現を同時に網羅的に分析できることから、生命科学や薬学、農学の分野の研究開発に基盤的な標準的機器として普及している。
たとえば、ある薬剤に反応するガン組織と反応しないガン組織からmRNA(メッセンジャRNA)を抽出して、両者の発現量の差を全ヒト遺伝子の載ったDNAマイクロアレイによって推定すれば、そのガン組織と薬剤に特異的な遺伝子発現が判明する。これを用いてその遺伝子をターゲットに発症機序の解明や創薬研究を効率的に実施することができる。
【0003】
ポストゲノムシーケンスの時代に入って、遺伝子発現の網羅的計測の必要性は、いわゆるテーラメード医療や医学分野における臨床検査はもちろん、食品検査や生産品質管理などのニューバイオ産業に広がり、今後いわゆるDNAマイクロアレイ市場はきわめて大きな拡大が予想されている。
主流となっている型式には、光リソグラフィ技術と固相法DNA合成技術によりシリコン基板上にオリゴヌクレオチドを垂直に積み上げたアフィメトリックス型と、スライドグラス上にDNAを貼り付けるいわゆるスタンフォード型の2つがある。前者はあらかじめ遺伝子を選択して発注設計製造依頼しなければならず高価であるが、後者は利用者が使用環境でスポットする遺伝子を自由に選べる利点がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
現在のDNAマイクロアレイは2次元格子状に配列されているDNAスポットの蛍光をレーザ走査ないし映像計測手段によって画像化して読み取っている。2自由度の計測が必要で装置が複雑になり、また後処理として蛍光信号の補正や雑音軽減のための計算機画像解析処理が必要である。
スライドグラスの代わりにビーズを使ったものや、多孔性の媒質を用いた装置もあるが、扱える遺伝子数がせいぜい100種類程度で網羅性にかける。
【0005】
しかしながら、DNAマイクロアレイを解析するためのスポッター、ハイブリダイゼイション、およびスキャナーからなるシステムは、定量性と感度の点において課題の多いものである。
現在の課題を箇条書にすると、
1.蛍光測定の感度が悪い
2.読み取りに時間がかかる
3.2次元走査による画像化が必要
4.操作性が悪い
5.1枚のガラス基板に配置するDNAスポット数が十分でない(高々1万スポット)
6.試料の性質や実験条件を同時に記録することが困難で、試料に番号を付加し、データシートを別々に用いていた。
などの課題があった。
【0006】
本発明の課題はDNAマイクロアレイやスキャナーの構造等を根本的に見直し、DNAスポットを安定して短時間のうちに読み取り、解析結果が得られ、構成がシンプルで、極めて効率が高い低価格のシステムを提供することにある。
現在X,Yの2次元格子状に配列されているDNAマイクロアレイのスポットを1次元に配列させ、同時にガラス板を円盤形状に変更し、スポット位置を特定できる指標を設ける。スポットスキャナーの検出S/Nを向上させるための新規の光学系とサーボ系を提案し、計測の高速化と操作性の向上および低価格化を実現する。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は例えば下記の発明に係る。
A.基板上にDNAスポットを配置したDNAマイクロアレイを読み取るための装置において、
波長λ1のレーザ光を前記DNAマイクロアレイに照射し前記レーザ光が前記DNAスポットに含まれる蛍光体を励起させるための光学系と、
前記励起された波長λ2の蛍光を集光する対物レンズと、
前記対物レンズによって集光した波長λ2の蛍光を電気信号に変換するための第1の光検出器と、
前記レーザ光の出力光を振幅変調する変調手段を備え、
前記DNAマイクロアレイのDNAスポットを読み取ることを特徴とする読み取り装置。
【0008】
B.基板上にDNAスポットを配置したDNAマイクロアレイを読み取るための装置において、
波長λ1のレーザ光を前記DNAマイクロアレイに照射し前記レーザ光が前記DNAスポットに含まれる蛍光体を励起させる光学系と、
前記励起された波長λ2の蛍光を集光する対物レンズと、
前記対物レンズによって集光した波長λ2の蛍光を電気信号に変換するための第1の光検出器と、
前記照射した波長λ1のレーザ光が前記DNAスポットを配置した基板により反射した主として波長λ1の反射光を検出するための第2の光検出器と、
前記第2の光検出器の出力を入力として、前記対物レンズの前記基板に対する垂直方向の相対位置を検出するための位置検出手段と、
前記対物レンズを前記基板に対して垂直方向に変位させるためのアクチュエータと、
前記位置検出手段の出力を、前記対物レンズのアクチュエータを垂直方向に変位させるための駆動装置と、
前記DNAマイクロアレイのDNAスポットを読み取ることを特徴とする読み取り装置。
【0009】
C.基板上にDNAスポットを配置したDNAマイクロアレイを読み取るための装置において、
波長λ1のレーザ光を前記DNAマイクロアレイに照射し前記レーザ光が前記DNAスポットに含まれる蛍光体を励起させる光学系と、
前記励起された波長λ2の蛍光を集光する対物レンズと、
前記対物レンズによって集光した波長λ2の蛍光を電気信号に変換するための第1の光検出器と、
前記照射した波長λ1のレーザ光が前記DNAスポットを配置した基板により反射した主として波長λ1の反射光を検出するための第2の光検出器と、
前記第2の光検出器の出力を用い、前記対物レンズの前記基板に対する垂直方向の相対位置を検出するための位置検出手段と、
前記対物レンズを前記基板に対して垂直方向に変位させるためのアクチュエータと、
前記位置検出手段の出力を、前記対物レンズのアクチュエータを垂直方向に変位させるための駆動装置と、
前記波長λ1の反射光を少なくとも2分割の光検出器により検出し、前記2分割光検出器の各々の出力の差により前記対物レンズの基板に対して平行であるX方向の位置を制御し、前記レーザ光が前記DNAスポット列を追従するようにする制御装置と、
前記レーザ光の出力光を振幅変調する変調手段を備え、
前記DNAマイクロアレイのDNAスポットを読み取ることを特徴とする読み取り装置。
【0010】
D.基板上にDNAスポットを配置したDNAマイクロアレイを読み取るための装置において、
波長λ1のレーザ光を前記DNAマイクロアレイに照射し前記レーザ光が前記スポットに含まれる蛍光体を励起させる光学系と、
前記励起された波長λ2の蛍光を集光する対物レンズと、
前記対物レンズによって集光した波長λ2の蛍光を電気信号に変換するための第1の光検出器と、
前記照射した波長λ1のレーザ光が前記スポットを配置した基板により反射した主として波長λ1の反射光を検出するための第2の光検出器と、
前記第2の光検出器の出力を入力として、前記対物レンズの前記基板に対する垂直方向の相対位置Zを検出するための位置検出手段と、
前記対物レンズを前記基板に対して垂直方向に変位させるためのアクチュエータと、
前記対物レンズを垂直方向に変位させる信号発生器と、前記信号発生器の出力を第1の入力とする駆動装置と、
前記位置検出手段の出力を第2の入力とする、前記対物レンズのアクチュエータをZ方向に変位させるための前記駆動装置と、
前記Z方向に変位させる信号と前記第2の光検出器の出力を位相検波し、位相検波器の出力を前記駆動装置に入力し、
前記DNAマイクロアレイのスポットを読み取ることを特徴とする読み取り装置。
【0011】
E.基板上にDNAスポットを配置したDNAマイクロアレイを読み取るための装置において、
波長λ1のレーザ光を前記DNAマイクロアレイに照射し前記レーザ光が前記スポットに含まれる蛍光体を励起させる光学系と、
前記励起された波長λ2の蛍光を集光する対物レンズと、
前記対物レンズによって集光した波長λ2の蛍光を電気信号に変換するための第1の光検出器と、
前記照射した波長λ1のレーザ光が前記スポットを配置した基板により反射した主として波長λ1の反射光を検出するための第2の光検出器と、
前記第2の光検出器の出力を入力として、前記対物レンズの前記基板に対する垂直方向の相対位置を検出するための位置検出手段と、
前記対物レンズを前記基板上のDNAスポット列に対して垂直方向でかつ、前記基板に対しては平行なX方向に変位させるためのアクチュエータと、
前記対物レンズをX方向に変位させる信号発生器と駆動装置と、
前記X方向に変位させる信号と前記第2の光検出器の出力を位相検波し、位相検波器の出力を前記アクチュエータ駆動装置に入力し、
前記DNAマイクロアレイのスポットを読み取ることを特徴とする読み取り装置。
【0012】
【発明の実施の形態】
本発明においてはスポットスキャナーの検出S/Nを向上させるための光学系と、サーボ系を提案し、計測の高速化と操作性の向上および低価格化を実現する。そしてサーボ系を構成する光学系をDNAスポットの読取光学系と独立に設け、サーボ誤差を検出するためのビームスポットがDNAスポットに含まれる蛍光体を劣化させないようにする。また、DNAマイクロアレイの読み取りビーム光の位置制御を、サーボ機構を用いて精度良く行い、フォーカス、トラッキング方向の誤差を無くし、正確に走査する。
【0013】
さらに現在2次元格子状に配列されているDNAマイクロアレイのスポットを同心円状あるいはスパイラル状の1次元に配列させ、同時にガラス板を円盤形状に変更し、スポット位置を特定できる指標を設ける。具体的には、ガラスディスク上の指標を設けた場所に正確にスポッティングを行い、1次元方向に走査し、歪無くDNAスポットを読み取る。
さらに、DNAマイクロアレイ上に記録可能なゾーンを設け、作成条件と測定結果を対象のDNAマイクロアレイ上に記録する。これによって、従来ガラス板と作成時のデータが別に保管されていたのを一体的に保存でき、セキュリティが向上する。
また、読取レーザビームによる蛍光体の退色を防止し、DNAスポットの読取S/Nを向上させるため、読取レーザ光を高周波で振幅変調する。
【0014】
【実施例】
以下本発明の実施をするための最良の形態を具体的に示した実施例について、図面とともに記載する。
以下、図1、図2、図3を用いて、本発明における第1の実施例の概略構成を図示する。
【0015】
図1は、図2に示したDNAマイクロディスク(DNA−MDと略す)を読み取る装置の構成を示すブロック図、図2はDNAマイクロディスクである。
図1において、1はDNAマイクロディスクで、2のディスクモータにより、回転制御される。3は対物レンズで、DNAマイクロディスク上に形成されたDNAスポットにレーザビームを集光し、反射した光を集める。3の対物レンズは、4の対物レンズアクチュエータ、フォーカス素子4aトラッキング素子4b、により、DNAマイクロディスクの基板に対して垂直方向(3bのZ方向)と、DNAスポット列にレーザビーム先を追従させるトラッキング方向(3aのX方向)、に可動させることができる。
【0016】
5は蛍光励起用光源(出力光波長λ1)で、この場合、650nmの波長のレーザを用いている。6はコリメータレンズ1で、5のレーザの出力光を平行光、あるいは規定の角度をもった発散光に変換し、9のハーフミラー、10のビームスプリッタ1を経由して、3の対物レンズにより、1のDNAマイクロディスク上に焦点を結ぶ。規定の角度をもった発散光に変換する理由は、焦点を結んだ時のビームスポットの大きさを、DNAスポットの大きさと同程度にするためである。またこのとき波長λ1の光源から出射する光束は対物レンズに入射する前に開口制限が設けられ、対物レンズのNAを実質的に小さくなるようにしている。この開口制限は、図1において、コリメータレンズ8の出射側に設けることができる。例えば対物レンズのNAとして6.0のものを用いた時でも、波長λ1の光に対しては、NAが5.0で、波長λ3のサーボ用の光に対しては、6.0となるようにした。このようにすることにより、サーボ誤差検出感度を高くでき、かつDNAスポット読取ビーム径を大きくできる。
7はサーボ用光源(出力光波長λ3)であり、8のコリメータレンズ2,9のハーフミラーを経て、10のビームスプリッタ1を経由して、3の対物レンズにより1のDNAマイクロディスク上に焦点を結ぶ。 DNAマイクロディスクで反射された反射光は、3の対物レンズ、10のビームスプリッタ1を経て、14のビームスプリッタ2により、15の集光レンズ2を経て、16のサーボ誤差検出器上に導かれる。
【0017】
一方、3の対物レンズにより、1のDNAマイクロディスク上に集光した5の蛍光励起用光源(出力光波長λ1)の出力光は、1のDNAマイクロディスク上のDNAスポットに含まれる蛍光体を励起し、励起された波長λ2の光は3の対物レンズにより集められ、10,14のビームスプリッタを経て、11の集光レンズ1で集光された後、12の光学フィルタにより、励起された光の波長だけが選択されて13の蛍光読取検出器に導かれる。この時、10,14のビームスプリッタ1,2は波長λ1のレーザで励起されたDNAスポット中の蛍光体の発光波長λ2を通過させ、14のビームスプリッタはサーボ用光源の出力波長λ3の光を反射し、12の光学フィルタはλ2だけを透過させるように構成している。7のサーボ用光源の出力光は8のコリメータレンズ2により平行光に変換される。
【0018】
そしてこのスポットの形状は、17のシリンドリカルレンズにより、3の対物レンズで集光された時に、焦点前後において、集光したスポットの形状が変化する。すなわち、16のサーボ誤差検出器上において、真円から楕円に変化する。この変化を16の光検出器を4分割したサーボ誤差検出器により、測定する。検出器の中央にほぼ真円の状態にDNAマイクロディスクから反射したビームが投影された時に、3の対物レンズが合焦点になったことを示す。同時に、サーボ用光源の出力光は、18の回折格子により、1のDNAマイクロディスク上のDNAスポットあるいはプリグループ上に図4に示すように、対物レンズ3を出射した光ビームS1,S2,S3が形成される。このうちS1,S3で示した光ビームは、16のサーボ誤差検出器のD1,D2により受光し、その出力の差がトラッキング誤差となる。
【0019】
図2において、21は基板で、ガラスや樹脂で作られる。22は中心穴で、基板の中心に穴が設けられている。23はDNAスポットで、基板上にスパイラルあるいは同心円状に構成される。ここでいうDNAスポットは、プローブDNAを含む液滴(DNAスポットと称しハイブリダイズされた後のDNAスポットも含む総称)を意味するものである。ここで、DNAスポットの直径は、250μm以下に設定する。
24は第1のデータ記録部であり、DNAスポットを作成する時の条件などの情報を、DNAスポットを基板上に設けるときに、情報により変調されたスポットの列を作成し記録する。このときに用いることのできる変調方法としては、スポットを2値信号からなる情報信号に応じて、スポットの位置を変化させる方法、あるいは情報信号に応じて、スポットの周期を変化させる方法などを用いることが可能である。またスポットを構成する材料としては、有機材料あるいは、無機材料などから作られたインク等を使用できる。
【0020】
尚、図示していないが、DNAスポットおよび24のデータは、21の基板上に設けられたプリグループ上に配置することもできる。
プリグルーブを作成する方法としては、基板を選択的にエッティングし作成することができる。また、プリグルーブの凸部を印刷により設けることもでき、印刷により作成した場合は、印刷のインクが付着しないプリグルーブに、DNAスポットを配置する。
このように構成した基板にDNAスポットを設けたものをDNAマイクロディスクと呼ぶ。なお、DNAスポットをDNAマイクロディスクに設けた後、カートリッジに挿入し、その後、DNAマイクロディスクを読み取るときは、カートリッジに設けた読み取り用の窓から行うことにした。
【0021】
また、前記データ記録部分はDNAスポットの作成時にDNAスポット列を変調し設けたが、この記録部分とは別に第2の記録可能部25を基板上に設け、DNAスポットの読取を行った後に、読み取られたDNAスポットの有する情報データを追記することも可能にした。
記録可能部分には、従来から記録可能光ディスクに用いられている色素あるいは、金属薄膜を基板上に蒸着あるいはスパッタ手段により形成することができる。第2のデータ記録部はプリグルーブ上に設け、かつ前記プリグルーブに番地情報を設け、他の部分と識別を容易にすることが望ましい。なお、この記録方法は図7を用いて後で説明する。前記した第1、第2の記録部は次に示す従来のDNAマイクロアレイ基板上に付加することもできる。
【0022】
図3は従来から使用されているDNAマイクロアレイであり、基板26の上にDNAスポット列25が2次元格子状に配置されている。27はDNAスポットを走査する方向を示している。
図1に示した読取装置は、図2、図3に示したDNAマイクロディスク、およびDNAマイクロアレイのいずれも、読み取ることができる用に構成した。DNAマイクロアレイを読み取る時は、2のディスクモータの代わりに、DNAマイクロアレイを平行に移動させるためのメカニズム(図示せず)を用いる。
【0023】
図4はDNAマイクロディスクと読取レーザビームおよびサーボ用レーザビームが形成するビームスポットの相対関係を示す原理図である。
図4において、31はプリグループでP1,P2,P3で示している。プリグループの巾は5〜100μm、高さは3〜10μmの凸または凹、プリグループの間隔は5〜150μm程度に設定する。31のプリグルーブ上に34のDNAスポットが形成されている。33はサーボ用ビームであり、31のプリグルーブP2を照射した状態を示している。
サーボビームS1が図1に示すサーボ誤差検出器D1に、S2はD3に、S3はD2に照射する。
32はDNAスポット読取ビーム(波長λ1)であり、34のDNAスポットを照射し、34のDNAスポットに含まれる蛍光体を励起し、波長λ1による波長λ2の励起光は、図1の蛍光読取検出器13により読み取られる。サーボ用光源(波長λ3)から形成されるサーボビームはDNAスポットを照射するが、DNAスポットの蛍光体を励起できる波長にならないよう設定している(例えば780nm)ので、DNAスポットを退色させることはない。
【0024】
図5は、図1に示した読取装置の制御系と信号測定系を示すブロック図である。全体の構成は図1に示す読取装置と同一であり、同じ構成要素は同じ番号を用いて表現している。
図5において、16はサーボ誤差検出器であり、D3はフォーカス誤差検出用の4分割光検出器である。D3の対角線の光検出器を加算器41,45により、光出力を電気信号に変換する。41,45の加算器の出力は42の差動アンプにより各々の出力の差が検出され、フォーカス誤差信号が得られる。この原理は、図6のフォーカス誤差信号の原理図により説明する。
42の差動アンプの出力は、43の位相補償器により、サーボ応答を適正にした後、44の駆動アンプにより、4bのフォーカス素子を駆動し、3の対物レンズの垂直方向の位置を制御する。
また、光検出器D1,D2の出力を46の差動アンプに入力し、46の差動アンプ出力には、プリグルーブの信号あるいはDNAスポット列の位置を示すトラッキング誤差が検出される。
46の差動アンプの出力は47の位相補償器を経由し、48の駆動アンプに入力され、4aのトラッキング素子の位置を制御する。
49は、CPU(Central Processing Unit)であり、サーボ系の引き込み、監視、シーケンス制御、などの制御動作を行い、サーボ系全体をコントロールする。
【0025】
図6はフォーカス誤差と対物レンズの位置の相関を示した図である。
図6において、サーボ誤差検出器の光検出器D3が示され、光検出器D3の上に投影される光の分布が表されている。52は合焦点状態が示され、光検出器D3上の光の分布は、ほぼ円形であり、図5の差動アンプ42の出力が0になる。
51は対物レンズがDNAマイクロディスクの基板に近くなった状態を示し、この時差動アンプ42の出力はマイナスの電圧を出力し、53は同じく遠い状態を示し、プラスの電圧が出力される。このように対物レンズ3と1のDNAマイクロディスクの間隔が合焦点になるように、4bのフォーカス素子に電圧を与え、駆動制御することが可能になる。
また、5の蛍光励起用光源を例えば、400MHz程度の周波数で変調し、変調した光を1のDNAマイクロディスク上のDNAスポットに照射することにより、蛍光体の退色を軽減させることが可能であることがわかった。
このようにすることにより、蛍光体の発色のデューティを低下させることができるためである。また、光源のレーザを変調することにより、レーザに戻り光が入射したときのノイズ発生を抑圧できる。
【0026】
図7のDNAマイクロディスク上に、DNAマイクロディスク上のDNAスポットの特性を測定したデータを追記するためのデータ記録系ブロック図を示す。
全体の構成は図1,図5に示す読取装置と同一であり、構成要素は同じ番号を用いて表現している。
データ記録は、1のDNAマイクロディスクに設けられた第2のデータ記録部25の記録膜に、データにより変調された記録レーザビームを照射し、記録を行うためのものである。図7において、64はパーソナルコンピュータ(PC)で、記録するDNAスポットの特性を測定したデータを用意し、インタフェース63を経由して、62のエンコーダにより、記録するデータをエンコードし、61の変調器により、7のサーボ用光源の出力光あるいは蛍光励起用光源を振幅変調した上、記録膜に変調されたレーザ光を照射し、記録動作を行う。記録部を正確に検出するためには、記録部が設けられているプリグルーブの位置を、番地情報を読み取って、位置を定める。
【0027】
記録膜は変調されたレーザ光により、物理的変化(膜に穴があくとか、変形すること)が起こり、データが記録される。記録されたデータを再生するためには、7のサーボ用光源の出力光のパワーを読取用の低パワーにし、記録膜からの反射光を16のサーボ誤差検出器の出力を用いて行う。41,45の加算器の出力が、66の加算器に供給され、67のデコーダにより、加算器の出力信号を復調する。エンコードの方法としては例えば、データを記録スポットの位置により表現するPPM(ピットポジションモジュレーション)を用いる。
記録されたデータをよみとる時には、67のデコーダで復調されたデータは63のインタフェースを経て、64のPCに送られ、誤り訂正が行われ、データが読み取られる。
【0028】
図8はDNAスポット列に読み取りビームを追従させるためのトラッキングサーボ系を示すウオブリングサーボ系ブロック図である。全体の構成は図1,図5に示す読取装置と同一であり、構成要素は同じ番号を用いて表現している。
71は加算器でサーボ誤差検出器の出力を加算する。なお、サーボ誤差検出器のうちD3の光検出器だけを用いる。72は発振器であり、48の駆動アンプに入力し、4aのトラッキング素子を微小(1μm程度)に振動させる。74はフィルタであり、加算器71の出力を入力し、72の発振器の周波数成分のみを取り出し、73の位相検波器に入力する。位相検波器の出力はトラッキング誤差を示し、48の駆動アンプにより、4の対物レンズアクチュエータを構成する4aのトラッキング素子を制御し1のDNAマイクロディスク上のDNAスポット列に追従する。
また、DNAマイクロアレイを用いた時には、DNAマイクロアレイ上のDNAスポット列に対物レンズから照射したレーザビームが、前記DNAスポット列に追従するように対物レンズの位置を制御する。
【0029】
図9は、図1に示した読取装置を一部変更した第2の実施例である。全体の構成は図1に示す読取装置と同一であり、同じ構成要素は同じ番号を用いて表現している。図1に示した実施例と異なる点は、トラッキング誤差信号を蛍光体励起用光源を用いて検出したことである。図1において用いた回折格子18、およびサーボ誤差検出器の光検出器D1,D2を用いていない。その代わり、81のビームスプリッタ3、82の集光レンズ、83の2分割光検出器を付加している。
図9において、5の蛍光励起用光源から出射した波長λ1の光は10のビームスプリッタにより反射され、3の対物レンズを経て、1のDNAマイクロディスクを照射し、反射光は10,14のビームスプリッタを透過し、81のビームスプリッタにより反射され、82の集光レンズにより83の2分割光検出器に達する。83の2分割光検出器にはDNAマイクロディスク上のDNAスポット列あるいはプリグルーブが投影され、83の2分割光検出器のそれぞれの光検出器の差をとることにより、DNAスポット列あるいはプリグルーブの位置を示すトラッキング誤差が得られる。この技術は例えば発明者の特許である日本特許登録番号2134883等に開示されている。前記した差を図5に示すトラッキング誤差として用い、対物レンズの位置を制御することにより、5の蛍光励起用光源から出射した波長λ1の光ビームを1のDNAマイクロディスクのDNAスポット上に照射することができる。本実施例においては読み取りビームの波長をλ1の1種類にしているが、もちろん、さらに異なる波長の光源を追加し、同時にDNAスポットを照射し、DNAスポットを読み取ることも可能である。その際には、複数の読取ビームのうちの1つを、サーボ用のビームとすることができる。
また、DNAスポット読取用のビームは、DNAマイクロアレイのDNAスポットの大きさと同程度とするため、6のコリメータレンズの出射光に開口制限を挿入し、3の対物レンズの中心付近を通過する光のみがDNAスポット上に焦点を結ぶようにする方がよい。一方、波長λ3のサーボビームは、サーボ誤差信号における対物レンズの位置検出感度を大きくするため、対物レンズに対して開口制限を行わないか、あるいは、読取ビームの開口制限よりも少なく設定した方が好ましい。
【0030】
以上のごとく構成することにより、蛍光励起用の光源を用い、DNAスポット列の位置を検出し、対物レンズの位置を制御することが可能になるため、精度の高いトラッキングサーボが実現できる。
【0031】
【発明の効果】
以上のように構成した本発明は、次に述べる効果を奏し、課題を解決することができる。DNAマイクロディスクあるいはDNAマイクロアレイのDNAスポットを照射するレーザビームを、サーボ用のレーザビームと読取用のレーザビームの両方をもたせることにより、DNAスポット上に正確に読取用レーザビームを位置決めでき、DNAスポットの蛍光体を効率よく励起でき、蛍光測定の感度を向上させた。もちろん、DNAマイクロスポットを配置する基板のそりなど変形、またDNAスポットの配置位置のずれがあってもサーボにより、スポットの正確な位置が検出でき、読取ビームが正確にスポットを照射するようにできた。また、読取ビームを高周波で変調することにより、蛍光体の退色を防止し、従来よりも大きな読取レーザピークパワーを照射できるようになった。
特に、マイクロディスク基板を使用した場合は、読取ビームを1次元方向に走査すればよいので、読取速度を早くできる。そのため、DNAスポットを1回だけ走査すれば読取が完了し、従来の2次元走査による画像化を不要にした。
またDNAスポットをDNAマイクロディスクに設けた後、カートリッジに挿入したため、取り扱いが向上した。
さらに、基板にプリグルーブを設けたDNAマイクロディスクを用いたため、基板上に従来より多くのDNAスポットを設けることができ、例えば10万スポット以上のDNAスポットを有するDNAマイクロディスクを作ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例である読取装置の概略構成を示すブロック図である。
【図2】本発明のDNAマイクロディスクの概略構成を示す図である。
【図3】従来のDNAマイクロアレイの概略構成を示す図である。
【図4】DNAマイクロディスクにおける読取ビームとサーボビームの相対位置関係を示す図である。
【図5】読取装置サーボ系のブロック図である。
【図6】フォーカス誤差と対物レンズの位置の関係を示す原理図である。
【図7】データ記録系ブロック図である。
【図8】ウオブリング方式のトラッキング制御を示すブロック図である。
【図9】読取装置の第2の実施例である。
【符号の説明】
1 DNAマイクロディスク
2 ディスクモータ
3 対物レンズ
4 対物レンズアクチュエータ(4aトラッキング素子、4bフォーカス素子)
5 蛍光励起用光源(出力光波長λ1)
6 コリメータレンズ1
7 サーボ用光源(出力光波長λ3)
8 コリメータレンズ2
9 ハーフミラー
10 ビームスプリッタ1
11 集光レンズ1
12 光学フィルタ
13 蛍光読取検出器
14 ビームスプリッタ2
15 集光レンズ2
16 サーボ誤差検出器
16 第2の光検出器
17 シリンドリカルレンズ
18 回折格子
21 基板
22 中心穴
23 DNAスポット
24 第1のデータ記録部
25 第2のデータ記録部
26 基板
27 走査方向
31 プリグループ
32 DNAスポット読取ビーム(波長λ1)
33 サーボ用ビーム
34 DNAスポット
41 加算器
42 差動アンプ
43 位相補償器
44 駆動アンプ
45 加算器
46 差動アンプ
47 位相補償器
48 駆動アンプ
49 CPU(Central Processing Unit)
61 変調器
62 エンコーダ
63 インタフェース
64 パーソナルコンピュータ(PC)
66 加算器
67 デコーダ
71 加算器
72 発振器
73 位相検波器
81 ビームスプリッタ3
82 集光レンズ3
83 2分割光検出器[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a configuration of a DNA microarray substrate and a measuring device.
[0002]
[Prior art]
A DNA microarray is one in which thousands of DNA probes are immobilized on a substrate such as a slide glass. A sample (target) labeled with a fluorescent molecule or the like is allowed to flow, and is hybridized with the probe. Is measured to estimate the expression level of the gene contained in the sample.
As a result, the expression of a large number of genes can be analyzed comprehensively at the same time, so that it is widely used as a standard instrument for research and development in the fields of life science, pharmacy, and agriculture.
For example, mRNA (messenger RNA) is extracted from a cancer tissue that responds to a drug and a cancer tissue that does not react, and the difference between the expression levels of the two is estimated by a DNA microarray carrying all human genes. Specific gene expression is found. Using this, the onset mechanism can be elucidated and drug discovery research can be efficiently carried out targeting the gene.
[0003]
In the era of post-genome sequencing, the need for comprehensive measurement of gene expression has spread to the new biotechnology industry, such as food inspection and production quality control, as well as clinical testing in the so-called tailor-made medicine and medical fields. The market is expected to grow significantly.
There are two main types: the Affymetrix type, in which oligonucleotides are vertically stacked on a silicon substrate by photolithography and solid-phase DNA synthesis, and the so-called Stanford type, in which DNA is attached to a slide glass. is there. The former method is expensive because it requires selecting a gene in advance and requesting design and manufacture, while the latter method has the advantage that the user can freely select the gene to be spotted in the use environment.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the current DNA microarray, the fluorescence of DNA spots arranged in a two-dimensional lattice is imaged and read by laser scanning or image measurement means. The measurement requires two degrees of freedom, which complicates the apparatus, and also requires post-processing such as correction of a fluorescence signal and computer image analysis processing for noise reduction.
Although there are devices using beads instead of slide glasses and devices using porous media, the coverage is limited to at most about 100 types of genes.
[0005]
However, systems consisting of spotters, hybridizations, and scanners for analyzing DNA microarrays are challenging in terms of quantification and sensitivity.
If you list your current issues,
1. Poor fluorescence measurement sensitivity
2. It takes time to read
3. Imaging by two-dimensional scanning is required
4. Poor operability
5. Not enough DNA spots to be placed on one glass substrate (at most 10,000 spots)
6. It was difficult to record the properties of the samples and the experimental conditions at the same time, so the samples were numbered and data sheets were used separately.
There were issues such as.
[0006]
It is an object of the present invention to fundamentally review the structure of a DNA microarray or a scanner, stably read a DNA spot in a short time, obtain an analysis result, and have a simple configuration, a very efficient and low-cost system. Is to provide.
The spots of the DNA microarray currently arranged in a two-dimensional X, Y two-dimensional lattice are arranged one-dimensionally, and at the same time, the glass plate is changed to a disk shape, and an index capable of specifying the spot position is provided. We propose a new optical system and servo system to improve the detection S / N of the spot scanner, and realize high-speed measurement, improved operability, and low cost.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The present invention relates to, for example, the following inventions.
A. In an apparatus for reading a DNA microarray in which DNA spots are arranged on a substrate,
An optical system for irradiating the DNA microarray with laser light having a wavelength of λ1 so that the laser light excites a phosphor contained in the DNA spot;
An objective lens for condensing the fluorescence of the excited wavelength λ2,
A first photodetector for converting the fluorescence of wavelength λ2 collected by the objective lens into an electric signal;
Comprising a modulating means for amplitude modulating the output light of the laser light,
A reading device for reading DNA spots on the DNA microarray.
[0008]
B. In an apparatus for reading a DNA microarray in which DNA spots are arranged on a substrate,
An optical system that irradiates the DNA microarray with laser light having a wavelength of λ1 so that the laser light excites a phosphor contained in the DNA spot;
An objective lens for condensing the fluorescence of the excited wavelength λ2,
A first photodetector for converting the fluorescence of wavelength λ2 collected by the objective lens into an electric signal;
A second photodetector for mainly detecting reflected light of wavelength λ1 reflected by the irradiated laser light of wavelength λ1 from the substrate on which the DNA spot is arranged;
Position detection means for detecting the vertical relative position of the objective lens with respect to the substrate, using an output of the second photodetector as an input,
An actuator for displacing the objective lens in a direction perpendicular to the substrate,
A drive device for displacing the output of the position detection means in a vertical direction of the actuator of the objective lens,
A reading device for reading DNA spots on the DNA microarray.
[0009]
C. In an apparatus for reading a DNA microarray in which DNA spots are arranged on a substrate,
An optical system that irradiates the DNA microarray with laser light having a wavelength of λ1 so that the laser light excites a phosphor contained in the DNA spot;
An objective lens for condensing the fluorescence of the excited wavelength λ2,
A first photodetector for converting the fluorescence of wavelength λ2 collected by the objective lens into an electric signal;
A second photodetector for mainly detecting reflected light of wavelength λ1 reflected by the irradiated laser light of wavelength λ1 from the substrate on which the DNA spot is arranged;
Position detection means for detecting a vertical relative position of the objective lens with respect to the substrate using an output of the second photodetector;
An actuator for displacing the objective lens in a direction perpendicular to the substrate,
A drive device for displacing the output of the position detection means in a vertical direction of the actuator of the objective lens,
The reflected light of the wavelength λ1 is detected by at least a two-divided photodetector, and the position of the objective lens in the X direction that is parallel to the substrate is controlled by a difference between outputs of the two-divided photodetectors, A control device for causing the laser light to follow the DNA spot train,
Comprising a modulating means for amplitude modulating the output light of the laser light,
A reading device for reading DNA spots on the DNA microarray.
[0010]
D. In an apparatus for reading a DNA microarray in which DNA spots are arranged on a substrate,
An optical system that irradiates the DNA microarray with laser light having a wavelength of λ1 so that the laser light excites a phosphor contained in the spot;
An objective lens for condensing the fluorescence of the excited wavelength λ2,
A first photodetector for converting the fluorescence of wavelength λ2 collected by the objective lens into an electric signal;
A second photodetector for mainly detecting reflected light of wavelength λ1 reflected by the irradiated laser light of wavelength λ1 from the substrate on which the spot is arranged;
Position detection means for detecting, as an input, an output of the second photodetector, a relative position Z of the objective lens in a vertical direction with respect to the substrate;
An actuator for displacing the objective lens in a direction perpendicular to the substrate,
A signal generator for displacing the objective lens in a vertical direction, a driving device having an output of the signal generator as a first input,
The drive unit for displacing the actuator of the objective lens in the Z direction, wherein the output of the position detection unit is a second input;
Phase-detecting the signal displaced in the Z direction and the output of the second photodetector, inputting the output of the phase detector to the driving device,
A reading device for reading spots on the DNA microarray.
[0011]
E. FIG. In an apparatus for reading a DNA microarray in which DNA spots are arranged on a substrate,
An optical system that irradiates the DNA microarray with laser light having a wavelength of λ1 so that the laser light excites a phosphor contained in the spot;
An objective lens for condensing the fluorescence of the excited wavelength λ2,
A first photodetector for converting the fluorescence of wavelength λ2 collected by the objective lens into an electric signal;
A second photodetector for mainly detecting reflected light of wavelength λ1 reflected by the irradiated laser light of wavelength λ1 from the substrate on which the spot is arranged;
Position detection means for detecting the vertical relative position of the objective lens with respect to the substrate, using an output of the second photodetector as an input,
An actuator for displacing the objective lens in a direction perpendicular to the DNA spot row on the substrate and in an X direction parallel to the substrate;
A signal generator and a driving device for displacing the objective lens in the X direction;
Phase-detecting the signal displaced in the X direction and the output of the second photodetector, and inputting the output of the phase detector to the actuator driving device;
A reading device for reading spots on the DNA microarray.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
In the present invention, an optical system for improving the detection S / N of a spot scanner and a servo system are proposed to realize high-speed measurement, improved operability, and reduced cost. An optical system constituting the servo system is provided independently of the optical system for reading the DNA spot, so that the beam spot for detecting the servo error does not deteriorate the phosphor contained in the DNA spot. In addition, the position of the reading light beam of the DNA microarray is accurately controlled by using a servo mechanism to eliminate errors in the focusing and tracking directions and to perform accurate scanning.
[0013]
Further, the spots of the DNA microarray currently arranged in a two-dimensional lattice are arranged concentrically or spirally in one dimension, and at the same time, the glass plate is changed to a disk shape, and an index capable of specifying the spot position is provided. Specifically, spotting is accurately performed at a position on the glass disk where an index is provided, and scanning is performed in a one-dimensional direction to read a DNA spot without distortion.
Further, a recordable zone is provided on the DNA microarray, and preparation conditions and measurement results are recorded on the target DNA microarray. As a result, the glass plate and the data at the time of creation, which have been separately stored, can be integrally stored, thereby improving security.
Further, in order to prevent fading of the phosphor by the reading laser beam and to improve the reading S / N of the DNA spot, the reading laser beam is amplitude-modulated at a high frequency.
[0014]
【Example】
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment specifically showing the best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
Hereinafter, a schematic configuration of the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1, 2, and 3. FIG.
[0015]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an apparatus for reading the DNA microdisk (abbreviated as DNA-MD) shown in FIG. 2, and FIG. 2 is a DNA microdisk.
In FIG. 1,
[0016]
Reference numeral 5 denotes a fluorescence excitation light source (output light wavelength λ1), in which case a laser having a wavelength of 650 nm is used. Reference numeral 6 denotes a
Reference numeral 7 denotes a servo light source (output light wavelength λ3), which passes through a
[0017]
On the other hand, the output light of the fluorescence excitation light source (output light wavelength λ1) collected on one DNA microdisk by the three objective lenses is a fluorescent substance contained in a DNA spot on the one DNA microdisk. The excited and excited light having the wavelength λ2 is collected by the
[0018]
When the spot is condensed by the three objective lenses by the seventeen cylindrical lenses, the shape of the condensed spot changes before and after the focal point. In other words, the circle changes from a perfect circle to an ellipse on the 16 servo error detectors. This change is measured by a servo error detector obtained by dividing 16 photodetectors into four. When the beam reflected from the DNA microdisk is projected in a substantially circular state at the center of the detector, it indicates that the three objective lenses are in focus. At the same time, the output light of the servo light source is converted into light beams S1, S2, S3 emitted from the
[0019]
In FIG. 2, reference numeral 21 denotes a substrate, which is made of glass or resin. Reference numeral 22 denotes a center hole provided with a hole at the center of the substrate. Reference numeral 23 denotes a DNA spot formed on the substrate in a spiral or concentric manner. The term “DNA spot” as used herein means a droplet containing a probe DNA (general term including DNA spots after hybridization and referred to as DNA spots). Here, the diameter of the DNA spot is set to 250 μm or less.
Reference numeral 24 denotes a first data recording unit, which prepares and records a row of spots modulated by the information such as conditions for forming a DNA spot when the DNA spot is provided on the substrate. As a modulation method that can be used at this time, a method of changing the position of the spot according to an information signal composed of a binary signal, a method of changing the period of the spot according to the information signal, or the like is used. It is possible. In addition, as a material forming the spot, an ink made of an organic material, an inorganic material, or the like can be used.
[0020]
Although not shown, the data of the DNA spot and the data of 24 can also be arranged on a pre-group provided on the 21 substrates.
As a method of creating a pre-groove, a substrate can be selectively etched and created. In addition, the convex portion of the pre-groove can be provided by printing, and when the pre-groove is formed by printing, the DNA spot is arranged on the pre-groove to which the printing ink does not adhere.
A substrate provided with DNA spots on such a substrate is called a DNA microdisk. After the DNA spot was provided on the DNA microdisk, the DNA spot was inserted into the cartridge, and then the DNA microdisk was read from the reading window provided on the cartridge.
[0021]
In addition, the data recording portion is provided by modulating the DNA spot row when creating the DNA spot, but a second recordable portion 25 is provided on the substrate separately from the recording portion, and after reading the DNA spot, It is also possible to additionally write information data of the read DNA spot.
In the recordable portion, a dye or a metal thin film conventionally used for a recordable optical disk can be formed on a substrate by vapor deposition or sputtering. It is preferable that the second data recording section is provided on the pre-groove, and that the pre-groove is provided with address information to facilitate identification with other parts. This recording method will be described later with reference to FIG. The above-mentioned first and second recording units can be added to the following conventional DNA microarray substrate.
[0022]
FIG. 3 shows a conventionally used DNA microarray in which DNA spot rows 25 are arranged on a substrate 26 in a two-dimensional lattice. Numeral 27 indicates the direction in which the DNA spot is scanned.
The reading device shown in FIG. 1 is configured to be able to read any of the DNA microdisk and the DNA microarray shown in FIGS. When reading the DNA microarray, a mechanism (not shown) for moving the DNA microarray in parallel is used instead of the two disk motors.
[0023]
FIG. 4 is a principle diagram showing a relative relationship between a beam spot formed by a DNA microdisk, a reading laser beam, and a servo laser beam.
In FIG. 4, reference numeral 31 denotes a pregroup, which is indicated by P1, P2, and P3. The width of the pre-group is set to 5 to 100 μm, the height is set to a convex or concave of 3 to 10 μm, and the interval of the pre-group is set to about 5 to 150 μm. 34 DNA spots are formed on 31 pregrooves. Reference numeral 33 denotes a servo beam, which indicates a state where 31 pregrooves P2 are irradiated.
The servo beam S1 irradiates the servo error detector D1 shown in FIG. 1, S2 irradiates D3, and S3 irradiates D2.
Reference numeral 32 denotes a DNA spot reading beam (wavelength λ1), which irradiates the DNA spot of 34 and excites the phosphor contained in the DNA spot of 34, and the excitation light of wavelength λ2 by the wavelength λ1 is the fluorescence reading detection light of FIG. It is read by the device 13. The servo beam formed from the servo light source (wavelength λ3) irradiates the DNA spot, but it is set so as not to have a wavelength that can excite the phosphor of the DNA spot (for example, 780 nm). Absent.
[0024]
FIG. 5 is a block diagram showing a control system and a signal measurement system of the reading device shown in FIG. The overall configuration is the same as that of the reading apparatus shown in FIG. 1, and the same components are represented by the same numbers.
In FIG. 5, reference numeral 16 denotes a servo error detector, and D3 denotes a quadrant photodetector for detecting a focus error. The light output of the diagonal photodetector of D3 is converted into an electric signal by the
The output of the differential amplifier 42 is adjusted in servo response by the phase compensator 43, and then the
Further, the outputs of the photodetectors D1 and D2 are input to the differential amplifier 46, and a tracking error indicating the position of the pre-groove signal or the DNA spot train is detected from the differential amplifier output 46.
The output of the differential amplifier 46 passes through the phase compensator 47 and is input to the drive amplifier 48 to control the position of the
A CPU (Central Processing Unit) 49 performs control operations such as pull-in, monitoring, and sequence control of the servo system, and controls the entire servo system.
[0025]
FIG. 6 is a diagram showing the correlation between the focus error and the position of the objective lens.
In FIG. 6, a photodetector D3 of the servo error detector is shown, and a distribution of light projected on the photodetector D3 is shown. Reference numeral 52 denotes a focused state, the light distribution on the photodetector D3 is substantially circular, and the output of the differential amplifier 42 in FIG.
Reference numeral 51 indicates a state in which the objective lens is close to the substrate of the DNA microdisk. At this time, the output of the differential amplifier 42 outputs a negative voltage, and 53 indicates a state in which the objective lens is far away, and a positive voltage is output. In this way, it is possible to apply a voltage to the
Further, it is possible to reduce the fading of the phosphor by modulating the fluorescence excitation light source at a frequency of, for example, about 400 MHz and irradiating the modulated light to the DNA spot on the DNA microdisk. I understand.
By doing so, the duty of color development of the phosphor can be reduced. Further, by modulating the laser of the light source, it is possible to suppress the generation of noise when return light enters the laser.
[0026]
FIG. 8 is a block diagram of a data recording system for additionally writing data obtained by measuring characteristics of a DNA spot on the DNA microdisk on the DNA microdisk of FIG. 7.
The overall configuration is the same as that of the reading device shown in FIGS. 1 and 5, and the components are represented using the same numbers.
The data recording is for irradiating the recording film of the second data recording section 25 provided on one DNA micro disk with a recording laser beam modulated by data to perform recording. In FIG. 7,
[0027]
The recording film undergoes a physical change (a hole or deformation in the film) due to the modulated laser light, and data is recorded. In order to reproduce the recorded data, the power of the output light of the servo light source 7 is set to a low power for reading, and the reflected light from the recording film is used using the output of the 16 servo error detector. The outputs of the
When the recorded data is read, the data demodulated by the
[0028]
FIG. 8 is a block diagram of a wobbling servo system showing a tracking servo system for causing a read beam to follow a DNA spot row. The overall configuration is the same as that of the reading device shown in FIGS. 1 and 5, and the components are represented using the same numbers.
An adder 71 adds the outputs of the servo error detector. It should be noted that only the photodetector D3 is used among the servo error detectors. Reference numeral 72 denotes an oscillator, which is input to a driving amplifier 48 and vibrates the
When a DNA microarray is used, the position of the objective lens is controlled such that a laser beam applied to the DNA spot array on the DNA microarray from the objective lens follows the DNA spot array.
[0029]
FIG. 9 shows a second embodiment in which the reader shown in FIG. 1 is partially modified. The overall configuration is the same as that of the reading apparatus shown in FIG. 1, and the same components are represented by the same numbers. The difference from the embodiment shown in FIG. 1 is that the tracking error signal is detected using a phosphor excitation light source. The diffraction grating 18 used in FIG. 1 and the photodetectors D1 and D2 of the servo error detector are not used. Instead, a
In FIG. 9, the light of wavelength λ1 emitted from the light source for fluorescence excitation 5 is reflected by the beam splitter 10 and irradiates the DNA microdisk through the
In order to make the beam for reading the DNA spot approximately the same as the size of the DNA spot on the DNA microarray, an aperture limit is inserted in the light emitted from the collimator lens 6 and only the light passing near the center of the
[0030]
With the above-described configuration, it is possible to detect the position of the DNA spot array and control the position of the objective lens using the light source for fluorescence excitation, so that a highly accurate tracking servo can be realized.
[0031]
【The invention's effect】
The present invention configured as described above has the following effects, and can solve the problem. A laser beam for irradiating a DNA spot on a DNA microdisk or a DNA microarray has both a servo laser beam and a reading laser beam, so that the reading laser beam can be accurately positioned on the DNA spot, and the DNA spot can be positioned. Was efficiently excited, and the sensitivity of the fluorescence measurement was improved. Of course, even if there is a deformation such as warpage of the substrate on which the DNA microspot is placed, or if the placement position of the DNA spot is displaced, the accurate position of the spot can be detected by the servo and the reading beam can accurately irradiate the spot. Was. Further, by modulating the read beam at a high frequency, the fading of the phosphor is prevented, and a higher read laser peak power than before can be applied.
In particular, when a microdisk substrate is used, the reading beam can be scanned in the one-dimensional direction, so that the reading speed can be increased. Therefore, the scanning is completed only once when the DNA spot is scanned once, and the imaging by the conventional two-dimensional scanning is not required.
Further, since the DNA spot was provided on the DNA microdisk and then inserted into the cartridge, handling was improved.
Furthermore, since a DNA microdisk having a pregroove provided on the substrate is used, more DNA spots can be provided on the substrate than before, and a DNA microdisk having, for example, 100,000 or more DNA spots can be manufactured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram illustrating a schematic configuration of a reading apparatus according to an embodiment of the invention.
FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of a DNA microdisk of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a schematic configuration of a conventional DNA microarray.
FIG. 4 is a diagram showing a relative positional relationship between a read beam and a servo beam on a DNA microdisk.
FIG. 5 is a block diagram of a reading device servo system.
FIG. 6 is a principle diagram showing a relationship between a focus error and a position of an objective lens.
FIG. 7 is a block diagram of a data recording system.
FIG. 8 is a block diagram showing tracking control of a wobbling method.
FIG. 9 is a second embodiment of the reading device.
[Explanation of symbols]
1 DNA microdisk
2 Disk motor
3 Objective lens
4. Objective lens actuator (4a tracking element, 4b focus element)
5 Light source for fluorescence excitation (output light wavelength λ1)
6
7. Light source for servo (output light wavelength λ3)
8
9 Half mirror
10
11
12 Optical filter
13 Fluorescence reading detector
14
15
16 Servo error detector
16 Second photodetector
17 Cylindrical lens
18 diffraction grating
21 Substrate
22 center hole
23 DNA spots
24 First Data Recording Unit
25 Second data recording unit
26 substrate
27 Scanning direction
31 pre-groups
32 DNA spot read beam (wavelength λ1)
33 Servo beam
34 DNA spots
41 Adder
42 differential amplifier
43 Phase compensator
44 Drive amplifier
45 Adder
46 Differential amplifier
47 Phase compensator
48 drive amplifier
49 CPU (Central Processing Unit)
61 Modulator
62 encoder
63 Interface
64 Personal computer (PC)
66 adder
67 decoder
71 Adder
72 oscillator
73 phase detector
81
82
83 split photodetector
Claims (19)
波長λ1のレーザ光を前記DNAマイクロアレイに照射し前記レーザ光が前記DNAスポットに含まれる蛍光体を励起させるための光学系と、
前記励起された波長λ2の蛍光を集光する対物レンズと、
前記対物レンズによって集光した波長λ2の蛍光を電気信号に変換するための第1の光検出器と、
前記レーザ光の出力光を振幅変調する変調手段を備え、
前記DNAマイクロアレイのDNAスポットを読み取ることを特徴とする読み取り装置。In an apparatus for reading a DNA microarray in which DNA spots are arranged on a substrate,
An optical system for irradiating the DNA microarray with laser light having a wavelength of λ1 so that the laser light excites a phosphor contained in the DNA spot;
An objective lens for condensing the fluorescence of the excited wavelength λ2,
A first photodetector for converting the fluorescence of wavelength λ2 collected by the objective lens into an electric signal;
Comprising a modulating means for amplitude modulating the output light of the laser light,
A reading device for reading DNA spots on the DNA microarray.
波長λ1のレーザ光を前記DNAマイクロアレイに照射し前記レーザ光が前記DNAスポットに含まれる蛍光体を励起させる光学系と、
前記励起された波長λ2の蛍光を集光する対物レンズと、
前記対物レンズによって集光した波長λ2の蛍光を電気信号に変換するための第1の光検出器と、
前記照射した波長λ1のレーザ光が前記DNAスポットを配置した基板により反射した主として波長λ1の反射光を検出するための第2の光検出器と、
前記第2の光検出器の出力を入力として、前記対物レンズの前記基板に対する垂直方向の相対位置を検出するための位置検出手段と、
前記対物レンズを前記基板に対して垂直方向に変位させるためのアクチュエータと、
前記位置検出手段の出力を、前記対物レンズのアクチュエータを垂直方向に変位させるための駆動装置と、
前記DNAマイクロアレイのDNAスポットを読み取ることを特徴とする読み取り装置。In an apparatus for reading a DNA microarray in which DNA spots are arranged on a substrate,
An optical system that irradiates the DNA microarray with laser light having a wavelength of λ1 so that the laser light excites a phosphor contained in the DNA spot;
An objective lens for condensing the fluorescence of the excited wavelength λ2,
A first photodetector for converting the fluorescence of wavelength λ2 collected by the objective lens into an electric signal;
A second photodetector for mainly detecting reflected light of wavelength λ1 reflected by the irradiated laser light of wavelength λ1 from the substrate on which the DNA spot is arranged;
Position detection means for detecting the vertical relative position of the objective lens with respect to the substrate, using an output of the second photodetector as an input,
An actuator for displacing the objective lens in a direction perpendicular to the substrate,
A drive device for displacing the output of the position detection means in a vertical direction of the actuator of the objective lens,
A reading device for reading DNA spots on the DNA microarray.
波長λ1のレーザ光を前記DNAマイクロアレイに照射し前記レーザ光が前記DNAスポットに含まれる蛍光体を励起させる光学系と、
前記励起された波長λ2の蛍光を集光する対物レンズと、
前記対物レンズによって集光した波長λ2の蛍光を電気信号に変換するための第1の光検出器と、
前記照射した波長λ1のレーザ光が前記DNAスポットを配置した基板により反射した主として波長λ1の反射光を検出するための第2の光検出器と、
前記第2の光検出器の出力を用い、前記対物レンズの前記基板に対する垂直方向の相対位置を検出するための位置検出手段と、
前記対物レンズを前記基板に対して垂直方向に変位させるためのアクチュエータと、
前記位置検出手段の出力を、前記対物レンズのアクチュエータを垂直方向に変位させるための駆動装置と、
前記波長λ1の反射光を少なくとも2分割の光検出器により検出し、前記2分割光検出器の各々の出力の差により前記対物レンズの基板に対して平行であるX方向の位置を制御し、前記レーザ光が前記DNAスポット列を追従するようにする制御装置を備え、
前記DNAマイクロアレイのDNAスポットを読み取ることを特徴とする読み取り装置。In an apparatus for reading a DNA microarray in which DNA spots are arranged on a substrate,
An optical system that irradiates the DNA microarray with laser light having a wavelength of λ1 so that the laser light excites a phosphor contained in the DNA spot;
An objective lens for condensing the fluorescence of the excited wavelength λ2,
A first photodetector for converting the fluorescence of wavelength λ2 collected by the objective lens into an electric signal;
A second photodetector for mainly detecting reflected light of wavelength λ1 reflected by the irradiated laser light of wavelength λ1 from the substrate on which the DNA spot is arranged;
Position detection means for detecting a vertical relative position of the objective lens with respect to the substrate using an output of the second photodetector;
An actuator for displacing the objective lens in a direction perpendicular to the substrate,
A drive device for displacing the output of the position detection means in a vertical direction of the actuator of the objective lens,
The reflected light of the wavelength λ1 is detected by at least a two-divided photodetector, and the position of the objective lens in the X direction that is parallel to the substrate is controlled by a difference between outputs of the two-divided photodetectors, A control device for causing the laser light to follow the DNA spot train,
A reading device for reading DNA spots on the DNA microarray.
前記対物レンズに入射するDNAスポットを照射する波長λ1の光束に対して実質的に開口制限を設け、サーボ信号検出用光源が前記基板上に形成するビームの大きさよりも、大きな径のビームとしたことを特徴とする請求項2記載の読取装置。In order to detect the distance between the objective lens and the substrate, a light source having a wavelength λ3 used for detecting a servo signal for irradiating the substrate is provided independently of a light source having a wavelength λ1 for exciting a phosphor of a DNA spot; The wavelength λ3 of the signal detection light source is selected to a wavelength that does not excite the phosphor,
The aperture of the light beam having the wavelength λ1 for irradiating the DNA spot incident on the objective lens is substantially limited, and the servo signal detection light source has a beam diameter larger than that of the beam formed on the substrate. 3. The reading device according to claim 2, wherein:
前記DNAスポットの蛍光体を励起するための光源から出力される光が前記基板により反射された波長λ1の反射光を用い、前記DNAスポットのX方向の位置を検出し、前記DNAスポットを照射する光を、前記DNAスポットを追従するように、前記対物レンズのX方向の位置を制御することを特徴とする請求項2記載の読取装置。In order to detect the distance between the objective lens and the substrate, a light source having a wavelength λ3 for detecting a servo signal for irradiating the substrate is provided independently of a light source for exciting a phosphor of a DNA spot, and While selecting the wavelength of the light source to a wavelength that does not excite the phosphor,
Light output from a light source for exciting the fluorescent material of the DNA spot is reflected by the substrate, and the reflected light of wavelength λ1 is used to detect the position of the DNA spot in the X direction and irradiate the DNA spot. 3. The reader according to claim 2, wherein the position of the objective lens in the X direction is controlled so that the light follows the DNA spot.
前記サーボ信号検出用の波長λ3の光源から出力される光が前記基板により反射された反射光を用い、前記DNAスポットを配置した基板の垂直方向の位置を検出するサーボ誤差検出器と、
前記DNAスポットを照射する波長λ1の光ビームが、前記DNAスポットを追従するように、前記対物レンズの位置を制御することを特徴とする請求項2記載の読取装置。In order to detect the distance between the objective lens and the substrate, a servo signal detection light source for irradiating the substrate is provided independently of a light source for exciting a DNA spot fluorescent substance, and a wavelength λ3 of the servo signal detection light source is provided. Is selected so as not to excite the phosphor,
A servo error detector that detects a vertical position of the substrate on which the DNA spot is disposed, using light reflected from the substrate, the light output from the light source having the wavelength λ3 for detecting the servo signal;
3. The reader according to claim 2, wherein the position of the objective lens is controlled such that a light beam having a wavelength λ1 irradiating the DNA spot follows the DNA spot.
前記サーボ信号検出用の波長λ3の光源から出力される光が前記基板により反射された反射光を用い、前記DNAスポットを配置した基板の垂直方向の位置を検出するサーボ誤差検出器と、
前記DNAスポットを照射する波長λ1の光ビームが、前記DNAスポットを追従するように、前記対物レンズの位置を制御する制御系と備え、
前記サーボ誤差検出用の光ビームを前記DNAスポットを照射しないように設定したことを特徴とする請求項2記載の読取装置。In order to detect the distance between the objective lens and the substrate, a servo signal detection light source for irradiating the substrate is provided independently of a light source for exciting a DNA spot fluorescent substance, and a wavelength λ3 of the servo signal detection light source is provided. Is selected so as not to excite the phosphor,
A servo error detector that detects a vertical position of the substrate on which the DNA spot is disposed, using light reflected from the substrate, the light output from the light source having the wavelength λ3 for detecting the servo signal;
A control system for controlling the position of the objective lens so that the light beam of wavelength λ1 irradiating the DNA spot follows the DNA spot,
3. The reader according to claim 2, wherein the light beam for detecting the servo error is set so as not to irradiate the DNA spot.
前記サーボ用光源の出力光路に回折格子を挿入し、少なくとも前記出力光が前記基板上において、DNAスポット列上に、3つのビームスポットを形成するようになし、
前記3つのビームスポットのうち、2つのビームスポットの反射光を光検出器により検出し、前記光検出器の出力を差動アンプに入力し、差信号がDNAスポット列の位置を示すように構成し、前記位置を示す差信号が所定の値になるように、ビームスポットを基板に照射する為の前記DNAスポット列に対して直角で、かつ基板に対して平行なX方向に対物レンズ位置を移動制御することを特徴とするDNAスポット読取装置。In order to detect the distance between the objective lens and the substrate, a servo signal detection light source for irradiating the substrate is provided independently of a light source for exciting a phosphor of a DNA spot, and the servo signal detection light source is Select a wavelength that does not excite when illuminating the phosphor,
A diffraction grating is inserted into an output optical path of the servo light source, and at least the output light forms three beam spots on a DNA spot row on the substrate,
The reflected light of the two beam spots among the three beam spots is detected by a photodetector, the output of the photodetector is input to a differential amplifier, and the difference signal indicates the position of the DNA spot row. Then, the position of the objective lens in the X direction perpendicular to the DNA spot row for irradiating the beam spot to the substrate and parallel to the substrate is set so that the difference signal indicating the position becomes a predetermined value. A DNA spot reader which controls movement.
波長λ1のレーザ光を前記DNAマイクロアレイに照射し前記レーザ光が前記スポットに含まれる蛍光体を励起させる光学系と、
前記励起された波長λ2の蛍光を集光する対物レンズと、
前記対物レンズによって集光した波長λ2の蛍光を電気信号に変換するための第1の光検出器と、
前記照射した波長λ1のレーザ光が前記スポットを配置した基板により反射した主として波長λ1の反射光を検出するための第2の光検出器と、
前記第2の光検出器の出力を入力として、前記対物レンズの前記基板に対する垂直方向の相対位置Zを検出するための位置検出手段と、
前記対物レンズを前記基板に対して垂直方向に変位させるためのアクチュエータと、
前記対物レンズを垂直方向に変位させる信号発生器と、前記信号発生器の出力を第1の入力とする駆動装置と、
前記位置検出手段の出力を第2の入力とする、前記対物レンズのアクチュエータをZ方向に変位させるための前記駆動装置と、
前記Z方向に変位させる信号と前記第2の光検出器の出力を位相検波し、位相検波器の出力を前記駆動装置に入力し、
前記DNAマイクロアレイのスポットを読み取ることを特徴とする読み取り装置。In an apparatus for reading a DNA microarray in which DNA spots are arranged on a substrate,
An optical system that irradiates the DNA microarray with laser light having a wavelength of λ1 so that the laser light excites a phosphor contained in the spot;
An objective lens for condensing the fluorescence of the excited wavelength λ2,
A first photodetector for converting the fluorescence of wavelength λ2 collected by the objective lens into an electric signal;
A second photodetector for mainly detecting reflected light of wavelength λ1 reflected by the irradiated laser light of wavelength λ1 from the substrate on which the spot is arranged;
Position detection means for detecting, as an input, an output of the second photodetector, a relative position Z of the objective lens in a vertical direction with respect to the substrate;
An actuator for displacing the objective lens in a direction perpendicular to the substrate,
A signal generator for displacing the objective lens in a vertical direction, a driving device having an output of the signal generator as a first input,
The drive unit for displacing the actuator of the objective lens in the Z direction, wherein the output of the position detection unit is a second input;
Phase-detecting the signal displaced in the Z direction and the output of the second photodetector, inputting the output of the phase detector to the driving device,
A reading device for reading spots on the DNA microarray.
波長λ1のレーザ光を前記DNAマイクロアレイに照射し前記レーザ光が前記スポットに含まれる蛍光体を励起させる光学系と、
前記励起された波長λ2の蛍光を集光する対物レンズと、
前記対物レンズによって集光した波長λ2の蛍光を電気信号に変換するための第1の光検出器と、
前記照射した波長λ1のレーザ光が前記スポットを配置した基板により反射した主として波長λ1の反射光を検出するための第2の光検出器と、
前記第2の光検出器の出力を入力として、前記対物レンズの前記基板に対する垂直方向の相対位置を検出するための位置検出手段と、
前記対物レンズを前記基板上のDNAスポット列に対して垂直方向でかつ、前記基板に対しては平行なX方向に変位させるためのアクチュエータと、
前記対物レンズをX方向に変位させる信号発生器と駆動装置と、
前記X方向に変位させる信号と前記第2の光検出器の出力を位相検波し、位相検波器の出力を前記アクチュエータ駆動装置に入力し、
前記DNAマイクロアレイのスポットを読み取ることを特徴とする読み取り装置。In an apparatus for reading a DNA microarray in which DNA spots are arranged on a substrate,
An optical system that irradiates the DNA microarray with laser light having a wavelength of λ1 so that the laser light excites a phosphor contained in the spot;
An objective lens for condensing the fluorescence of the excited wavelength λ2,
A first photodetector for converting the fluorescence of wavelength λ2 collected by the objective lens into an electric signal;
A second photodetector for mainly detecting reflected light of wavelength λ1 reflected by the irradiated laser light of wavelength λ1 from the substrate on which the spot is arranged;
Position detection means for detecting the vertical relative position of the objective lens with respect to the substrate, using an output of the second photodetector as an input,
An actuator for displacing the objective lens in a direction perpendicular to the DNA spot row on the substrate and in an X direction parallel to the substrate;
A signal generator and a driving device for displacing the objective lens in the X direction;
Phase-detecting the signal displaced in the X direction and the output of the second photodetector, and inputting the output of the phase detector to the actuator driving device;
A reading device for reading spots on the DNA microarray.
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