JP2005502896A - 複数のサンプルの化学的な構造および／または組成を求める方法およびサンプルホルダ - Google Patents

Abstract

本発明は、たとえば遺伝学的な物質などの大量検査に対して効果的に動作する分析装置を提供することを課題としている。この場合、有利に使用される方法は蛍光法またはルミネセンス法である。良好なＳＮ比を得るために必要とされるのは、励起光を検出器から遠ざけておき、放出光ができるかぎり束になって検出器に向かうようにすることである。この目的で本発明によれば、被検査サンプル用のホルダに光学的活性層が設けられており、この光学的活性層は放出光を反射させ励起光を透過させるように構成されている。サンプルホルダのサンプル収容ウェルにこのような光学的活性層が設けられている場合、放出光はウェルの底部と壁で反射し、検出器へと向かうようになる。励起光は分子の励起に寄与しないかぎり光学的活性層を通り抜け、ホルダに吸収される。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、ホルダにおける多数のサンプルの化学的な構造および／または組成を求める分析装置に関する。この場合、検査すべきサンプルがホルダの上にマトリックス状に配置されており、該サンプルを照射する光源が設けられており、該光源から発せられる励起光はサンプル物質の励起に適しており、該励起により前記サンプル物質自体は放出光を発し、該放出光のための検出器が設けられている。
【０００２】
この種の分析装置は殊に生物学的および薬学的な分野において、化学的な物質について多数の個別検査を伴う大量検査を実施するために使用される。ここで検査とはたとえば、特定の遺伝子配列を探す遺伝学的なテストや、たとえば血液検査などにおけるＤＮＡ配列分析、細胞分析、あるいはタンパク質の検査などのことである。このような検査を迅速かつ経済的に行えるようにする目的で、高いスループットで稼働できるよう分析装置を設計する必要がある。
【０００３】
ここで使用される検査方式は、光により励起される化学的な試薬の蛍光およびルミネセンスに基づいている。この目的で、被検査物質は薄くされた形態で適切な試薬たとえば特定の標識物質といっしょにホルダにおかれる。この場合、２つの異なるホルダ形式が使用されている。その１つは単純なガラスプレートであり、検査すべきサンプルがその上に均等な２次元のマトリクス状に小滴としておかれる。このようなホルダをマイクロアレイとも称する。個々のサンプルがもっと大きい体積をもっているかまたは流体であるような別の検査のためには、いわゆるマイクロプレートが利用される。これは互いに密に配置された管状の多数のウェルないしは筒であり、それらは一方の側において底部により閉じられている。マイクロプレートはプラスチック材料から成り、これは一般に黒、白または透過性であって、励起光が下方からすなわち底部から照射される場合には透過性の底部を有している。ホルダに収容されるサンプルの個数は、適用分野に従い９６個〜１，５６３個である。
【０００４】
検査のため、サンプルのおかれたホルダが光学式分析装置に供給され、この分析装置内にはルミネセンスもしくは蛍光を励起するための光源と検出器とフィルタが組み込まれている。これまで使用されてきた装置は主として実験室で利用されてきた。しかしながらこの種の検査の需要は著しく成長しており、したがってそのような装置をいっそう簡単かつコンパクトにする必要がある。殊に測定時間を短くし、サンプル量を低減し、さらに装置の製造をいっそう安価に行えるようにしたい。さらにその際に重要な点は、ＳＮ比を改善することである。これを実現するためには、発せられた光の大部分が検出器に到達されるようにし、励起光がそこからできるかぎり遠くにおかれるよう配慮しなければならない。
【０００５】
解決手段として本発明によれば請求項１の上位概念に記載の分析装置において、サンプルホルダは波長選択性フィルタとしてはたらく光学的活性層を有しており、このフィルタは、光学的活性層が有利には放出光の波長を反射するよう設定されている。
【０００６】
この場合、光学的分析装置内部においてこれまで一般に行われてきた非常に手間のかかる装置構成の代わりに、ホルダ自体に相応の層が設けられており、これは従来分析装置内で別個に構成されていたレンズとフィルタの役割を担うものである。このようなコーティングはかなり簡単であり安価に製造することができるので、たとえこのホルダが単一の分析のためだけに用いられる場合であっても、コスト的な利点を得ることができる。なぜならば分析装置自体が非常に単純になりかつ小さくなり、ひいては製造や保守も安価になるからである。
【０００７】
本発明の奏する効果は以下の通りである。放出光は実質的にすべての側に均等に発せられるが、検出器は小さい立体角範囲しか捕捉できないので、得られる光の一部分だけしか評価されないことになる。放出光に対しミラーとしてはたらく光学的活性層によって、他の立体角からの光も検出器に到達し、このことにより発光効率が高まり、ひいてはＳＮが大きくなる。
【０００８】
これに加えて上述の層は励起光に対しては透過性であるので、励起光はサンプル内の分子の励起に寄与しないかぎり、検出器には到達しない。
【０００９】
このことを達成するため上述の層の光学的特性は、高い透過率をもつ第１の波長領域とこの領域とは異なり低い透過率をもつ第２の波長領域をこの膜がもつよう設定され、その際、励起光は第１の波長領域内の波長をもち、放出光は第２の波長領域内の波長をもつ。したがってこの層は、励起光を放出光から分離するバンドパスフィルタまたはカットオンフィルタとしてはたらく。
【００１０】
このようなフィルタ特性を有する層は、上下に配置され誘電体材料から成る複数の層によって構成することで、殊に有利に構成することができる。このような層を薄膜干渉層とも称する。
【００１１】
したがって光学的活性層はたとえば、高い屈折率を有する材料と低い屈折率を有する材料によって交互に構成された多数の個別層から成り、この場合、光学的活性層の光学的厚さは薄膜干渉フィルタが形成されるよう設定されている。この種の層はその固有の構造に従い、有利には反射される波長もしくは有利には透過される波長の間で比較的急峻な移行部分をもつ光学的なバンドパスフィルタまたはカットオンフィルタとしてはたらく。移行領域は約２５ｎｍであり、１．５％まで精確に設定することができる。このことは移行波長についてもあてはまる。層のフィルタ特性は、放出光に対する透過率がほぼゼロとなるよう設定され、つまりこの光が層により強く反射されるよう設定される。他方、励起光の波長が層の透過領域内にあるようにすれば、励起光を検出器に到達させないようにすることができる。
【００１２】
上述の平坦なサンプルホルダ（マイクロアレイ）の場合、層は上面つまりサンプルもおかれるところか、あるいは下面に被着されている。光学的な理由から、上面に取り付けるのが好適である。このことは殊に、上方照射配向の励起光がサンプルに当射される場合にあてはまり、つまり検出器も設けられている側でサンプルに入射する場合にあてはまる。しかしここで留意しなければならないのは、サンプルおよびたとえばいくつかの既知の試薬が層と反応して層を損傷させたり誤測定を引き起こしたりする可能性のあることである。サンプルと層の化学的な親和性がなければ、層は有利にはホルダの下面に取り付けられる。
【００１３】
多数のサンプル収容ウェルが設けられたサンプルホルダの場合には、有利には内面に光学的活性層が設けられる。殊に上方照射配向の場合にウェル壁を鏡面化することができ、底部にだけ波長選択性の層を設けることができる。これにより入射する励起光はウェル壁からサンプルに反射して戻され、ひいては励起光の効率が高まる。さらに放出光はウェル底部における光学的活性層および鏡面化された壁により反射し、このようにして殊に良好に検出器へ向かう方向で束ねられる。
【００１４】
本発明はさらに、以下のように構成された光学的活性層を備えたホルダにも関する。
【００１５】
この場合、光学的活性層は多数の個別層から成り、これらの個別層は交互に高い屈折率をもつ材料と低い屈折率をもつ材料によって構成されており、これらの層の光学的厚さは、薄膜干渉フィルタが形成されるよう設定されている。
【００１６】
そしてこのような層は、有利には反射する波長もしくは有利には透過する波長の間で比較的急峻な移行部分をもつ光学的なバンドパスフィルタまたはカットオンフィルタとしてはたらく。この層のフィルタ特性は、放出光に対する透過率がほぼゼロとなるよう設定され、つまりこの光が層により強く反射されるように設定されている。他方、励起光の波長が層の透過領域内にあるようにすれば、その光を検出器には到達させないようにすることができる。このような層を薄膜干渉層とも称し、それらは複数の誘電性の個別層から成る。
【００１７】
光学的活性層は有利には高真空状態において個別分子のスパッタにより形成される。ここでは様々な方式を利用することができる。しかしホルダが安価に製造可能なプラスチックから成るようにしたならば、ホルダを加熱するようにはできない。したがって本発明によれば、層を製造するためにプラズマまたはイオンにより支援された電子ビーム蒸着法が使用される。この方式によれば、高い密度を有するきわめて均質な層を被着することができ、その際、コーティングのスペクトル特性を被着中にダイレクトな光学的コントロールを行うことにより生じさせることができる。このようにして格別良好な品質をもつフィルタが形成され、つまりフィルタにより通される波長とフィルタにより反射される波長との間の移行部分が著しく離散的になる。
【００１８】
コーティングのために一般に使用される材料は、酸化珪素（屈折率小）ならびに酸化チタン、五酸化タンタル（ＴＡ_２Ｏ_５）および二酸化ニオブ（屈折率大）である。これらの材料のもつ利点とは、化学的に十分に不活性であり、検出すべき物質との反応において誤りを引き起こさないことである。
【００１９】
しかもコーティング法により達成される高い密度によって、プラスチックホルダからサンプルへの分子の拡散が効果的に阻止される。さらにこれによって、フィルタのスペクトル特性が温度変動や流体との接触による影響に感応しないような層の特性も得られる。
【００２０】
個々の層の厚さは、フィルタのスペクトル特性が個々の使用目的に整合されるよう、コンピュータプログラムによって求められる。このようにして殊に移行部分の波長を事前に求めることができ、これが予期される放出波長と調和するよう設定される。
【００２１】
層の被着にあたり、計算された層厚を精確に守ることができるよう、層厚のチェックが連続的に行われる。その結果、スペクトル中のまえもって定められた個所で急峻な移行領域をもつフィルタが得られるようになる。
【００２２】
次に、図面を参照しながら２つの実施例に基づき本発明について詳しく説明する。
【００２３】
図１は平坦なサンプルホルダ（マイクロアレイ）の断面図であり、図２はマイクロプレートの個々のウェルの断面図であり、図３は本発明による光学的活性層の代表的な透過曲線を示す図である。
【００２４】
図１によればホルダ１は平坦なガラスプレートまたはプラスチックプレート２から成り、その上面に多数のサンプル３が点状におかれている。プレート２の下面にはあとで詳しく説明する光学的活性層４が設けられており、この層はフィルタとして作用する。
【００２５】
励起光源６たとえばレーザからの上方照射配向における励起光（直線の矢印５で示す）が上からホルダ１に到達し、そこにおいて個々のサンプル３に当たる。これによってサンプルの分子が励起され、つまり分子内の電子がいっそう高いエネルギー準位に達し、いくらかの時間を経てもとの位置に戻る。その際、エネルギーの差がフォトン（個々の矢印７により示す）として放射される。そしてフォトンがガラスプレート上方に配置された検出器８により捕捉され、これによって分子化合物の種類を推定することができる。評価の詳細は本発明の対象ではなく、したがってここでは詳細には説明しない。これらのフォトンの一部分はすぐ上の方向で検出器８に向かって放射し、別の部分は下に向かって放射し、そこにおいて光学的活性層４に衝突して、その層から検出器の方向に向かって反射する。
【００２６】
サンプル中の分子の励起を引き起こさなかった励起光の一部分はプレート２と光学的活性層４を通り抜け、つまりは検出器８には到達しない。
【００２７】
光学的活性層のこのような特性は図３に示す透過特性曲線によって得られ、この図ではＸ軸１１には３５０ｎｍ〜７００ｎｍの波長領域が書き込まれており、Ｙ軸１２には０〜１００％の透過率が書き込まれている。約５００ｎｍの領域において透過率はかなり急激に約１００％から数パーセントまで落ち込んでいることがわかる。励起光が約５００ｎｍよりも下の波長λ_Ａをもつことを考慮すると、この光については透過率がかなり高く、したがって妨げられることなく光学的活性層４を通り抜けることができる。放出光についてはこれとは様子が異なる。放出光の波長λ_Ｅは５００ｎｍよりも上であり、つまり光学的活性層４を通過することはできず、むしろその層によって反射される。
【００２８】
すでに説明したとおり、光学的活性層はそれぞれ大きく異なる屈折率をもつ多数の個別層から成り、それらの層が合わさって１つの薄膜干渉フィルタが形成される。
【００２９】
図２に示したホルダプレートにおいても状況は同様であって、このプレートは複数のウェル１５によって構成されている。この場合、ウェル１５各々の壁１６にも底部１７にも光学的活性層４を設けることができる。しかしながら製造技術的な理由で通例、本発明による光学的活性層は底部だけに設けられ壁は鏡面化され、これにより壁は励起光も放出光も反射させる。この場合も励起光（矢印５）は個々の分子と衝突し、それによってルミネセンスもしくは蛍光が励起される。放出された光（矢印７）はすべての側に放射され、光学的活性層４もしくは鏡面化されたウェル壁部において反射し、これによって束になってウェルの開放された側から出射し、この開放された側の上に検出器８が配置されている。
【００３０】
励起光は分子に衝突しないかぎり、光学的活性層４を通り抜けていく。ホルダ自体が暗い材料によって製造されているならば光は吸収され、その結果、測定結果を誤らせてしまうような隣接ウェルにおける励起は発生しない。
【００３１】
励起光が底部１７を通して下から導かれる事例では、上述の実施形態の代案として底部１７においても光学的活性層４を設けないようにすることができ、ホルダを少なくとも底部領域では透過性に構成することができる。
【００３２】
光学的活性層は約１．４μｍの厚さを有しており、多数（たとえば１６個または３２個）の個別層により合成されていて、それらは交互に二酸化珪素と二酸化チタンまたは五酸化タンタルまたは二酸化ニオブから成る。二酸化珪素は小さい屈折率を有しており、他の材料は高い屈折率を有している。境界層において光は部分的に反射し部分的に回折する。その際、光の波長に従い強め合う干渉と弱め合う干渉が生じる。したがって個別層の厚さによって、特定の波長をもついずれの光が層全体により反射しやすく、いずれの光が層全体を通り抜けるかが決定される。それゆえこの層は光をスペクトル的に弁別する特性を有する。これによりここで挙げた適用事例においては、励起光を放出光から分離できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】平坦なサンプルホルダ（マイクロアレイ）の断面図である。
【図２】マイクロプレートの個々のウェルの断面図である。
【図３】本発明による光学的活性層の代表的な透過曲線を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
１ ホルダ
２ プレート
３ サンプル
４ 光学的活性層
５ 矢印
６ 励起光源
７ 矢印
８ 検出器
１０ 透過特性曲線
１１ Ｘ軸
１２ Ｙ軸
１５ ウェル
１６ 壁
１７ 底部

Claims (16)

1. 検査すべきサンプルがホルダ（１）の上にマトリックス状に配置されており、該サンプルを照射する光源（６）が設けられており、該光源（６）から発せられる励起光はサンプル物質の励起に適しており、該励起により前記サンプル物質自体は放出光を発し、該放出光のための検出器（８）が設けられている、ホルダ（１）における複数のサンプルの化学的な構造および／または組成を求める分析装置において、
   サンプルホルダ（１）に、波長選択性フィルタとしてはたらく光活性層（４）が設けられており、該フィルタの設定により、前記光活性層（４）は有利には前記放出光の波長の光を反射することを特徴とする分析装置。
2. 前記励起光は、光学的活性層（４）が高い透過率を有する波長をもつ、請求項１記載の分析装置。
3. 前記光学的活性層の光学的特性の設定により、該層は透過率の高い第１の波長領域と該領域とは異なる透過率の低い第２の波長領域を有し、前記励起光は第１の波長領域内の波長をもち、前記放出光は第２の波長領域内の波長をもつ、請求項１または２記載の分析装置。
4. 前記光学的活性層（４）は、上下に配置され誘電体材料から成る複数の層から成る、請求項３記載の分析装置。
5. 前記サンプルホルダは透過性材料から成る平坦なプレート（２）であり、該プレートの一方の側にサンプル（３）がマトリクス状に配置され、該プレートの他方の側に光学的活性層（４）が設けられる、請求項１から４のいずれか１項記載の分析装置。
6. 前記サンプルホルダは複数のサンプル収容ウェル（１５）を備えたホルダであり、該ウェル（１５）の内側に光学的活性層（４）が設けられている、請求項１から４のいずれか１項記載の分析装置。
7. 前記ウェルは底部（１７）と該底部に対し垂直に立つ壁（１６）を有しており、前記底部（１７）は透過性であり前記壁（１６）には光学的活性層が設けられている、請求項６記載の分析装置。
8. 前記光学的活性層は複数の個別層から成り、該複数の個別層は交互に高い屈折率をもつ材料と低い屈折率をもつ材料から成り、該層の光学的な厚さの設定により薄膜干渉フィルタが形成される、請求項４から７のいずれか１項記載の分析装置。
9. 低い屈折率をもつ層は二酸化珪素から成り、高い屈折率をもつ層は二酸化チタンまたは五酸化タンタルまたは二酸化ニオブから成る、請求項８記載の分析装置。
10. 前記光学的活性層はプラズマまたはイオンを利用した電子ビーム蒸着法により製造される、請求項６記載の分析装置。
11. サンプルの化学的な構造および／または組成が、励起に基づき該サンプルから発せられる放出光の分析により検査される、多数の個別サンプルを収容するためのサンプルホルダにおいて、
    波長選択性フィルタとしてはたらく光学的活性層（４）が設けられており、該フィルタの設定により、前記光学的活性層（４）は有利には前記放出光の波長の光を反射することを特徴とするサンプルホルダ。
12. 透過性材料から成る平坦なプレート（２）であり、該プレートの一方の側にサンプル（３）がマトリクス状に配置され、該プレートの他方の側に光学的活性層（４）が設けられる、請求項１１記載のサンプルホルダ。
13. 複数のサンプル収容ウェル（１５）を備えたホルダであり、該ウェル（１５）の内側に光学的活性層（４）が設けられている、請求項１１項記載のサンプルホルダ。
14. 前記光学的活性層は複数の個別層から成り、該複数の個別層は交互に高い屈折率をもつ材料と低い屈折率をもつ材料から成る、請求項１１から１３のいずれか１項記載のサンプルホルダ。
15. 低い屈折率をもつ層は二酸化珪素から成り、高い屈折率をもつ層は二酸化チタンまたは五酸化タンタルまたは二酸化ニオブから成る、請求項１４記載のサンプルホルダ。
16. 前記光学的活性層はプラズマまたはイオンを利用した電子ビーム蒸着法により製造される、請求項１１から１５のいずれか１項記載のサンプルホルダ。