JP2006084465A - 多チャネル試料分析用の光学系及びこれを採用した多チャネル試料分析器 - Google Patents

多チャネル試料分析用の光学系及びこれを採用した多チャネル試料分析器 Download PDF

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Abstract

【課題】 高速回転鏡と非球面鏡とを用いた多チャネル試料分析用の光学系及びこれを採用した多チャネル試料分析器を提供する。
【解決手段】 光軸に沿って進行する光を射出する光源ユニット10と、光軸を中心に回転対称になるように配置されたセミスフェロイド非球面鏡30と、光軸を中心に回転しながら、前記光源ユニットから射出された光を反射して前記セミスフェロイド非球面鏡に進行させる傾斜鏡41と、を含み、前記光源ユニットから射出された光が前記セミスフェロイド非球面鏡を通過して前記傾斜鏡に入射することができるように、前記セミスフェロイド非球面鏡の中心に開口が形成されている。これにより、試料間の光学的クロストークを防止しながらも高速に複数の試料を測定でき、使用される部品を最小化できる。
【選択図】 図2

Description

本発明は、多チャネル試料分析用の光学系及びこれを採用した多チャネル試料分析器に係り、より詳しくは、高速回転鏡と非球面鏡とを用いた多チャネル試料分析用の光学系及びこれを採用した多チャネル試料分析器に関する。
試料に特定波長の光を照射した後、試料から放出される蛍光のスペクトルを検出して試料の成分や絶対量などを分析する方法はよく知られている。例えば、DNAのそれぞれの塩基を反応波長が相異なる蛍光染料で染色した後、前記蛍光物質から放出される波長の強度を分析することによってDNAの塩基序列を決定するか、或いは絶対量が分かる。
図1は、このための一般的な蛍光分析装置の構造を概略的に示す。図1に示されたように、蛍光分析装置100は、一般に光源110、フィルター120,150、ダイクロイックミラー140、対物レンズ145、試料ホルダー130及び光検出器160などから構成される。光源110としては、ハロゲンランプ、LED(Light Emitting Diode)又はレーザーなどを多様に使用できる。光源110から放出された光は、第1のフィルター120を通じて特定波長帯域のみを有する。その後、前記特定波長の光は、ダイクロイックミラー140によって反射されて、試料ホルダー130上の試料170に入射する。試料170によって放出された蛍光は、ダイクロイックミラー140と第2のフィルター150とを通過した後、光検出器160によって検出される。この際、それぞれのフィルター120,150や光源110の波長特性を変化させながら、試料から放出される蛍光波長の強度を分析すれば、試料の成分が詳細に分かる。
最近では、試料分析の効率性を高め、高速に試料を測定するために、多チャネル試料分析装置が開発されている。複数の試料を一度に分析できる多チャネル試料分析装置は、広く二種類があるが、一つは複数の検出器を用いて複数の試料を同時に測定する装置であり、他の一つは一つの検出器のみを用いて順次に複数の試料を測定する装置である。
複数の検出器を用いて複数の試料を同時に測定する装置は、試料数ほどの個別的な検出器を使用して一つの試料から放出された蛍光を一つの検出器が測定する装置(Cepheid Smartcycler;特許文献1参照)と、大面積の光を複数の試料に一回照射した後、試料から放出された蛍光を一つの大面積CCDで測定する装置(ABI Prism 7000;特許文献2参照)がある。しかしながら、試料数ほどの個別的な検出器を使用して検出する方式は、試料の個数に比例する検出器の数が要求されるので、より多くの試料を測定するため試料数を拡張すべき場合には多くの限界がある(現在商用化されているCepheid Smartcyclerは24個)。さらに、大面積の光を多くの試料に一回照射した後、CCDで測定する場合は、相異なる試料から放出された蛍光がそれぞれの検出器に同時に現れる蛍光信号クロストーク現象が発生しうる。従って、こうした現象を避け、正確な測定を行うためには、装置が非常に複雑になり、大型化されるよりほかはない。特に、蛍光分析で要求される精度を有する大面積CCDは、現在も非常に高価な部品であって、小型化するには多くの技術的な限界がある。
一つの検出器のみを用いて順次に複数の試料を測定する装置にも現在二種類がある。第一の装置は、広い試料ホルダーに複数の試料を載せ、検出器が前記試料上をXY−方向にスキャニングしながら試料を測定する装置である。第二の装置は、円形の試料ホルダー上に複数の試料を載せ、前記試料ホルダーを高速に回転させながら、固定された一つの検出器で試料を測定する装置である。第一の装置の場合、検出器が試料上を移動しなければならないが、検出器を高速に移動させにくいので、試料を測定する速度には制限が出てきてしまう。また、検出すべき試料の数が多くなる場合、検出器が広い面積をスキャニングできなければならないが、これを具現するためには、装置が非常に複雑になり、大型化される。第二の装置の場合、固定された検出器下で高速に試料が回転するので、比較的高速測定が可能である。しかしながら、同様に検出すべき試料の数が多くなる場合、試料ホルダーのサイズが大きくなければならないが、大型の試料ホルダーを高速に回転させるためには、消費電力が非常に大きくなる。これにより、装備を小型化することに限界がある。
米国特許第6,369,893号明細書 米国特許出願第2003/0148505号明細書
本発明の技術的課題は、複数の試料を高速に実時間測定でき、簡単で小型化された携帯型多チャネル試料分析用の光学系及びこれを採用した多チャネル試料分析器を提供するところにある。
前記技術的課題を達成するために本発明の一つの類型による多チャネル分析用光学系は、光軸に沿って進行する光を射出する光源ユニットと、光軸を中心に回転対称になるように配置されたセミスフェロイド非球面鏡と、光軸を中心に回転しながら、前記光源ユニットから射出された光を反射して前記セミスフェロイド非球面鏡に進行させる傾斜鏡と、を備え、前記光源ユニットから射出された光が前記セミスフェロイド非球面鏡を通過して前記傾斜鏡に入射することができるように、前記セミスフェロイド非球面鏡の中心に開口が形成されていることを特徴とする。
ここで、前記傾斜鏡は、光軸を中心に回転する円筒形バーの一側端部に傾斜して形成されている。また、前記セミスフェロイド非球面鏡の鏡面は、前記光源ユニットの反対方向に配置されており、前記傾斜鏡と対向することを特徴とする。特に、前記セミスフェロイド非球面鏡は、試料に励起光を照射した後で発生する蛍光を効率的に集光できるように、光軸方向に対しては、試料上の一つの点と傾斜鏡の一つの点(光軸と出会う点)とを焦点とする楕円形状の反射面を有し、光軸と垂直な面に対しては多くの試料に対する励起光照射とこれによって発生する蛍光信号の集光とが順次にスキャニングされるように回転対称である円形状の鏡面を有することを特徴とする。
前記技術的課題を達成するために本発明の他の類型による多チャネル分析器は、光軸に沿って進行する光を射出する光源ユニットと、光軸を中心に回転対称になるように配置されたセミスフェロイド非球面鏡と、光軸を中心に回転しながら、前記光源ユニットから射出された光を反射して前記セミスフェロイド非球面鏡に進行させる傾斜鏡と、前記セミスフェロイド非球面鏡から反射された光が試料に入射することができるように、前記セミスフェロイド非球面鏡に対向して配置された試料ホルダーと、試料から放出された光を検出する検出器と、を備えることを特徴とする。
前記多チャネル試料分析器は、前記光源ユニットから射出された光を試料に集束させるために、前記光源ユニットとセミスフェロイド非球面鏡との間に配置された対物レンズをさらに備える。
また、前記多チャネル試料分析器は、前記光源ユニットから射出された光を前記傾斜鏡に進行させ、試料から放出された光を前記検出器に進行させるためのダイクロイックミラーをさらに備える。
一方、前記光源ユニットは、それぞれ異なる波長を有する光を放出させる少なくとも一つの光源と、前記少なくとも一つの光源から放出されたそれぞれの光が光軸に沿って進行できるように、対応光源から放出された光を反射させ、他光源から放出された光を透過させる少なくとも一つのダイクロイックミラーと、を備える。
本発明によれば、高速に回転する鏡を用いてビーム走査方式で試料を測定するので、試料間の光学的クロストークを防止しながらも高速に複数の試料を測定できる。
また、本発明によれば、単に一つの傾斜鏡のみを回転させて複数の試料を測定できる。従って、多チャネル試料分析のため使用された光学系が非常に単純に構成されたので、使用される部品を最小化できる。その結果、本発明による多チャネル試料分析器は、小型化が可能であり、低コストで生産できる。
以下、添付した図面に基づき本発明の一実施形態による多チャネル試料分析用の光学系及びこれを採用した多チャネル試料分析器の構成及び動作について詳細に説明する。
図2は、本発明の一つの実施形態による多チャネル試料分析用の光学系及び多チャネル試料分析器の構造を概略的に示す。図2に示されたように、本発明による多チャネル試料分析器は、光軸15に沿って進行する光を射出する光源ユニット10と、光軸15を中心に回転対称になるように配置されたセミスフェロイド非球面鏡30と、光軸15を中心に回転しながら前記光源ユニット10から射出された光を反射して前記セミスフェロイド非球面鏡30に進行させる傾斜鏡41と、前記セミスフェロイド非球面鏡30から反射された光が試料55に入射できるように前記セミスフェロイド非球面鏡30に対向して配置された試料ホルダー50と、試料55から放出された光を検出する検出器25と、前記光源ユニット10から射出された光を試料55に集束させるために、前記光源ユニット10とセミスフェロイド非球面鏡30との間に配置された対物レンズ23と、前記多チャネル試料分析器は、前記光源ユニット10から射出された光を前記傾斜鏡41に進行させ、試料55から放出された光を前記検出器25に進行させるためのダイクロイックミラー20と、を備える。
また、光源ユニット10は、それぞれ異なる波長を有する光を放出させる少なくとも一つの光源12,13を含む。図2では、例示的に二つの光源12,13のみを示したが、一つの光源のみを使用することもでき、三つの以上の光源を使用することもできる。光源12,13は、例えばハロゲンランプ、LED又はレーザーなどを多様に使用できる。フィルター14,17は、光源12,13から放出されたそれぞれの光が特定の波長を有するようにフィルタリングする機能を行う。図2に示されたように、二つ以上の光源を使用する場合、それぞれの光源から放出された光を全て光軸15に沿って進行させるためにダイクロイックミラー16,18を必要とする。ダイクロイックミラー16,18は、対応する光源から放出された光を反射させ、他光源から放出された光を透過させる。例えば、第1の光源12から放出された第1の波長の光は、第1のダイクロイックミラー16によって反射された後、第2のダイクロイックミラー18を通過して光軸15に沿って進行する。また、第2の光源13から放出された第2の波長の光は、第2のダイクロイックミラー18を通過して光軸15に沿って進行する。
こうした光源ユニット10やダイクロイックミラー20、対物レンズ23及び検出器25などは、従来の多チャネル試料分析器にも一般に使用される構成要素なので、詳細な説明を省略する。
本発明による多チャネル試料分析器の特徴的な部分は、図2で対物レンズ23下にある多チャネル試料分析用の光学系70にある。前述したように、従来の多チャネル試料分析器の中で、円形の試料ホルダー上に複数の試料を載せ、試料ホルダーを高速に回転させながら固定された検出器で試料を測定する装置の場合、高速で複数の試料を測定できるという点で長所がある。しかしながら、試料ホルダーを回転させるので、装置を小型化することに限界がある。かかる問題を改善するために、本出願の発明者は、試料ホルダーを回転させる代わりに、光が試料上を回転しながらスキャニングするように多チャネル試料分析用の光学系70を提案した。すなわち、検出器と試料ホルダーは、固定されており、光源ユニットから射出された光のみが試料上をスキャニングするのである。
図2に示されたように、本発明による多チャネル試料分析用の光学系70は、光軸15を中心に回転対称になるように配置されたセミスフェロイド非球面鏡30、及び光軸15を中心に回転しながら光源ユニット10から射出された光を反射して前記セミスフェロイド非球面鏡30に進行させる傾斜鏡41を備えている。ここで、前記セミスフェロイド非球面鏡30の鏡面33は、光源ユニット10の反対方向に配置されている。すなわち、前記セミスフェロイド非球面鏡30の鏡面33は、光の進行方向に沿って前記傾斜鏡41と対向するように配置される。そして、前記セミスフェロイド非球面鏡30の中心には、前記光源ユニット10から射出された光がセミスフェロイド非球面鏡30を通過して傾斜鏡41に入射することができるように、開口35が形成されている。こうした構造で、前記傾斜鏡41が光軸15を中心に高速回転すれば、傾斜鏡41に入射する光の射出方向が方位角方向に沿って順次に変わる。従って、試料ホルダー50上の試料配置55を例示的に示す図4のように、セミスフェロイド非球面鏡30から反射された光は、試料ホルダー50上に円形に配置されている複数の試料55上を高速でスキャニングすることができる。
この際、前記傾斜鏡41は、光軸15を中心に回転する、例えば円筒形バー40の一側端部に傾斜して形成されている。前記円筒形バー40が回転することによって、傾斜鏡41が回転できる。円筒形バー40は、例えば、モーター(図示せず)及び駆動回路(図示せず)が実装された基板60上に設けられることもある。ところで、円筒形バー40を傾斜して切断して傾斜鏡41を形成する場合、全体的な形が光軸15について非対称になる。その結果、円筒形バー40の重心が光軸15上に位置せず、円筒形バー40の回転時に傾斜鏡41が光軸15を中心に回転せず揺れることができる。こうした現象を防止するため、光軸15を中心に前記円筒形バー40の質量が対称的な分布を有するように、前記傾斜鏡41の上面に透明なバー43が付着される。図2に示されたように、前記透明なバー43と円筒形バー40とを含む全体的な形状は、正確に光軸15について対称になる。
図2に示されたように、前記光源ユニット10から射出された光は、前記透明バー43の中心軸に沿って入射して、傾斜鏡41に進行する。この際、光軸と傾斜鏡41とが出会う点F2から反射された光は、セミスフェロイド非球面鏡30に再び反射された後、最終的に楕円面の第1の焦点であるF1に集束されるが、このF1がまさに試料が置かれている点になる。そして、入射光の励起によってF1から放射する蛍光は、再び漏斗形のビーム分布(中心軸は入射光軸と同一)を有し、入射経路と同一な光軸に沿って進行する。すなわち、F1から放射した蛍光は、セミスフェロイド非球面鏡30で一次反射し、傾斜鏡41内の第2の焦点であるF2に集束及び反射されて上端部の対物レンズ23に集束される。従って、図2で光軸15の方向(すなわち、y−軸方向)に沿うセミスフェロイド非球面鏡30の断面は、試料上の一つの点と傾斜鏡の一つの点(光軸と出会う点)とを焦点とする楕円形状の反射面を有する。
一方、図3は、図2のA−Aの断面を切断した断面図を例示的に示す。図3に示されたように、光軸と垂直な方向(すなわち、x−軸方向)に切ったセミスフェロイド非球面鏡30の断面は、多くの試料に対する励起光照射とこれによって発生する蛍光信号の集光とが順次にスキャニングされることができるように、回転対称である円形形態を有する。特に、透明バー43の断面45は、円筒形ロッドレンズの断面、すなわち円形状を有する。従って、前記傾斜鏡41によって反射されてセミスフェロイド非球面鏡30に進行する光は、透明バー43の射出面45でy−軸方向には変化がないが、x−軸方向には集束される形態になる。そして、試料面55から放射する蛍光は、試料面内の点F1でx−軸方向に対して発散するビーム形状を有するが、透明バー43の円形断面がロッドレンズの役割を果たすため、ビームは集束され、上方の対物レンズ23に進行する。
前述した構造の光学系を用いた多チャネル試料蛍光分析器の動作を整理すれば次の通りである。光源ユニット10から射出された光は、ダイクロイックミラー20、対物レンズ23及び透明バー43を通過して傾斜鏡41に入射する。傾斜鏡41から反射された光は、さらにセミスフェロイド非球面鏡30によって反射されて、試料ホルダー50上の試料55に入射する。この際、例えば前記試料55に染色された蛍光物質(図示せず)は、前記入射光を吸収して励起される。それにより、前記励起された蛍光物質は新しい光を放出する。試料55の蛍光物質から放出された光は、セミスフェロイド非球面鏡30及び傾斜鏡41によって反射されてダイクロイックミラー20に向く。一般に、試料55の蛍光物質から放出された光は、光源ユニット10から射出された光の波長と異なる波長とを有する。従って、ダイクロイックミラー20に入射された光は、ダイクロイックミラー20を通過せずに検出器25に向って反射される。そうしているうちに、傾斜鏡41が矢印方向に回転しながら、光源ユニット10から射出された光をさらに他の試料に入射させる。従って、検出器25と試料55は、回転せず、単に傾斜鏡41のみを回転させながら高速で複数の試料を測定することが可能である。
一方、測定される複数の試料は、図4のように一定した間隔を有し、円形に配置される。この際、円の半径は、試料のサイズや個数によって多様に設計できる。そして、試料55が配置される試料ホルダー50上の位置の中で一つの地点には、傾斜鏡41の回転によって光が試料55上をスキャニングする間に、一回転の開始を検出することができるように、基準蛍光信号(Mark Signal)を発生させる基準試料56を配置する。この際、基準試料56は、例えば光検出器が飽和される程度に明るい信号が出る蛍光物質を使用する。
そして、多チャネル試料分析器の信号処理方式は、図5に示されたように、光電流変調器(light chopper)(図示せず)を用いるか、或いは他の電気的な方法を用いて光源ユニット10から射出された光を所定の周期を有する矩形波形態に分周して使用する。例えば、二つの光源から射出された光が経時的に順次に1−2−1−2番のように連結されて照射されるようにタイミングを調節して使用する。この際、矩形波の周期は、傾斜鏡41の回転周期と一致させて、傾斜鏡41が一回転する間一回光源に対して基準信号とN個の試料の蛍光信号(総N+1個の信号)を検出させることができ、二回目の回転では、同様に二回光源に対して基準信号とN個の試料の蛍光信号(総N+1個の信号)とを検出させることができる。
本発明は、試料分析に関連した技術分野に効果的に適用できる。
一般的な蛍光分析装置の概略的な構造を示す図面である。 本発明の一つの実施形態による多チャネル試料分析用の光学系及び多チャネル試料分析器の構造を概略的に示す図面である。 図2のA−A断面を切断した断面図である。 本発明の一つの実施形態による試料ホルダー上の試料配置を例示的に示す図面である。 多チャネル試料の信号処理方式を示すタイミング図である。
符号の説明
10 光源ユニット、
12,13 光源、
14,17 フィルター、
15 光軸、
16,18,20 ダイクロイックミラー、
23 対物レンズ、
25 検出器、
30 セミスフェロイド非球面鏡、
33 鏡面、
35 開口、
40 円筒形バー、
41 傾斜鏡、
43 透明バー、
45 断面、
50 試料ホルダー、
55 試料、
60 基板、
70 多チャネル試料分析用の光学系。

Claims (19)

  1. 光軸に沿って進行する光を射出する光源ユニットと、
    光軸を中心に回転対称になるように配置されたセミスフェロイド非球面鏡と、
    光軸を中心に回転しながら、前記光源ユニットから射出された光を反射して、前記セミスフェロイド非球面鏡に進行させる傾斜鏡と、を備え、
    前記光源ユニットから射出された光が前記セミスフェロイド非球面鏡を通過して、前記傾斜鏡に入射することができるように、前記セミスフェロイド非球面鏡の中心に開口が形成されていることを特徴とする多チャネル試料分析用の光学系。
  2. 前記傾斜鏡は、光軸を中心に回転する円筒形バーの一側端部に傾斜して形成されていることを特徴とする請求項1に記載の多チャネル試料分析用の光学系。
  3. 前記円筒形バーの回転時の揺れを防止するために、光軸を中心に前記円筒形バーの質量が対称的な分布を有するように前記傾斜鏡の上面に透明バーが付着されたことを特徴とする請求項2に記載の多チャネル試料分析用の光学系。
  4. 前記透明バーの入射面は、前記光源ユニットからの光に対して垂直であり、前記透明バーの射出面は、円筒形ロッドレンズの形状を有することを特徴とする請求項3に記載の多チャネル試料分析用の光学系。
  5. 前記セミスフェロイド非球面鏡の鏡面は、前記光源ユニットの反対方向に配置されており、前記傾斜鏡と対向することを特徴とする請求項1に記載の多チャネル試料分析用の光学系。
  6. 光軸に垂直な前記セミスフェロイド非球面鏡の断面は円形であり、光軸方向に沿ったセミスフェロイド非球面鏡の断面は楕円面であることを特徴とする請求項5に記載の多チャネル試料分析用の光学系。
  7. 前記光源ユニットから射出された光を集束させるために、前記光源ユニットとセミスフェロイド非球面鏡との間に配置された対物レンズをさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の多チャネル試料分析用の光学系。
  8. 光軸に沿って進行する光を射出する光源ユニットと、
    光軸を中心に回転対称になるように配置されたセミスフェロイド非球面鏡と、
    光軸を中心に回転しながら、前記光源ユニットから射出された光を反射して、前記セミスフェロイド非球面鏡に進行させる傾斜鏡と、
    前記セミスフェロイド非球面鏡から反射された光が試料に入射することができるように、前記セミスフェロイド非球面鏡に対向して配置された試料ホルダーと、
    試料から放出された光を検出する検出器と、を備えることを特徴とする多チャネル試料分析器。
  9. 前記傾斜鏡は、光軸を中心に回転する円筒形バーの一側端部に傾斜して形成されていることを特徴とする請求項8に記載の多チャネル試料分析器。
  10. 前記円筒形バーの回転時の揺れを防止するために、光軸を中心に前記円筒形バーの質量が対称的な分布を有するように前記傾斜鏡の上面に透明バーが付着されたことを特徴とする請求項2に記載の多チャネル試料分析器。
  11. 前記透明バーの入射面は、前記光源ユニットからの光に対して垂直であり、前記透明バーの射出面は、円筒形ロッドレンズの形状を有することを特徴とする請求項10に記載の多チャネル試料分析器。
  12. 前記光源ユニットから射出された光が前記セミスフェロイド非球面鏡を通過して前記傾斜鏡に入射することができるように、前記セミスフェロイド非球面鏡の中心に開口が形成されていることを特徴とする請求項8に記載の多チャネル試料分析器。
  13. 前記セミスフェロイド非球面鏡の鏡面は、前記光源ユニットの反対方向に配置されており、前記傾斜鏡とは対向することを特徴とする請求項12に記載の多チャネル試料分析器。
  14. 光軸に垂直な前記セミスフェロイド非球面鏡の断面は円形であり、光軸方向に沿ったセミスフェロイド非球面鏡の断面は楕円面であることを特徴とする請求項12に記載の多チャネル試料分析器。
  15. 前記試料ホルダーの上面には、複数の試料が一定した間隔に沿って円形に配置されていることを特徴とする請求項8に記載の多チャネル試料分析器。
  16. 前記光源ユニットから射出された光を試料に集束させるために、前記光源ユニットとセミスフェロイド非球面鏡との間に配置された対物レンズをさらに備えることを特徴とする請求項8に記載の多チャネル試料分析器。
  17. 前記光源ユニットから射出された光を前記傾斜鏡に進行させ、試料から放出された光を前記検出器に進行させるためのダイクロイックミラーをさらに備えることを特徴とする請求項8に記載の多チャネル試料分析器。
  18. 前記光源ユニットは、
    それぞれ異なる波長を有する光を放出させる少なくとも一つの光源と、
    前記少なくとも一つの光源から放出されたそれぞれの光が光軸に沿って進行できるように、対応光源から放出された光を反射させ、他光源から放出された光を透過させる少なくとも一つのダイクロイックミラーと、を備えることを特徴とする請求項8に記載の多チャネル試料分析器。
  19. 前記光源ユニットは、前記少なくとも一つの光源から放出されたそれぞれの光が特定波長のみを有するようにフィルタリングする少なくとも一つのフィルターをさらに備えることを特徴とする請求項18に記載の多チャネル試料分析器。
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