JP2006349501A - 生体サンプル判別装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 微量な生体サンプルを支持する支持体を回転させながら、この生体サンプルに光を照射して検出をおこなう生体サンプル判別装置において、支持体の回転時に面ぶれが生じた場合でも、高感度に測定可能とする。
【解決手段】 光源側集光レンズ１３の焦点と検出側集光レンズ２０の焦点とが一致するようにアーム１８でレンズ間距離を調整して固定する。支持体１からの反射光を用いて光源側集光レンズ１３の焦点がピット上に来るようにアクチュエータ１７で制御する。これにより検出側集光レンズ２０の焦点位置も同時に制御でき、検出光の効率を最大にできるとともに、検出光に含まれるノイズレベルを低減する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＤＮＡやタンパクその他の生体サンプルへ光を照射し、その照射によって得られる光を検出して生体サンプルを判別する生体サンプル判別装置に関する。

一般的な生体サンプルを考えた場合、大きくはＤＮＡとタンパクが存在している。そして、近年、分子生物学の急速な進展によって、様々な疾患において遺伝子の関与がかなり正確に理解されるようになり、遺伝子をターゲットにした医療に注目が集まるようになってきている。

このような遺伝子をターゲットにする医療においては、遺伝子の検査、つまり遺伝子内の特定部位のＤＮＡ配列の並びを同定する必要があり、ＤＮＡチップとその読み取り装置が開発され、実用化されている。

その一つとして、生体サンプルが流れる流路を形成した平板状の支持体を、光学的な読み取りを行う生体サンプル判別装置に取り付け、この流路の両端部に電圧を印加して生体サンプルを電気泳動させて判別を行うものがある（例えば、特許文献１参照）。

上記従来の生体サンプル判別装置は、支持体の流路を走査して読み取る構成ではなく、支持体は装置に固定的に配置される構成である。このように流路中を流れる生体サンプルを、予め定められた特定の位置で検出する構成では、生体サンプルが特定位置に電気泳動されるまで待たなければならず、判別するのに時間がかかったり、また、支持体に複数の流路を形成した場合には、複数の光学系を用意しなければならなかったりするなどの不都合がある。

そこで、本出願人は、生体サンプルを支持する支持体を回転可能に支持して、流路を走査して読み取りを行うことで、流路中を移動する生体サンプルの判別や、あるいは、複数の流路における判別を短時間で行うことのできる生体サンプル判別装置の開発を進めている。
特表２００２−５０５００９号公報

ところで、検査に用いるＤＮＡなどの生体サンプルは、血液などから、細胞を破壊してＤＮＡを抽出し、ＰＣＲなどによって目的のＤＮＡ配列を含む部分を増幅して準備しなければならない。このため大量に生体サンプルを準備するには手間がかかってしまう。

そこで、微量な生体サンプルでも測定可能な生体サンプル判別装置が望まれている。しかしながら、生体サンプルを微量にすると、その分だけ、検出できる光量が微弱になってしまい、精度の高い判別は困難になる。

上述した本出願人が開発を進めているような装置においては、生体サンプルを微量にするにともなって、支持体に形成する流路も微細になる。このような微細な流路を有する支持体を回転させたときに、わずかでも面ぶれが生じてしまうと、支持体からの反射光や拡散光が、検出できるサンプルからの光量に比べて大きく変化するので、精度の高い測定ができなくなるという課題を有していた。特に、微細な流路からそれずに、正確にトレースできるようにするために、トレース用のピットやウオブルなどのトラック溝を形成した支持体を用いる場合には、この影響が大きくなる。

そこで本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、支持体を回転させた場合などにおいて、面ぶれが生じたときであっても、それに左右されない、精度の高い測定を可能とする生体サンプル判別装置を提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明の生体サンプル判別装置は、生体サンプルに光を照射し、該生体サンプルから得られる光を検出して、該生体サンプルの判別を行う生体サンプル判別装置において、前記生体サンプルに向けて光を照射するための光源と、該光源からの光を前記生体サンプルへ集光して照射するための光源側集光レンズと、生体サンプルからの光を集光するための検出側集光レンズと、前記検出側集光レンズを通して得られる光を受光し、前記生体サンプルを判別するための信号を生成する第１の検出部と、前記生体サンプルを支持する支持体より得られる反射光を受光し、前記支持体と光源側集光レンズとの相対位置に対応する信号を生成する第２の検出部と、前記光源側集光レンズと検出側集光レンズとを予め定めた所定の間隔に保った状態で、これらの位置を可変なように、両レンズを一体的に駆動するアクチュエータと、を備えており、前記光源と、前記生体サンプルを支持する支持体とを相対的に移動させながら前記支持体を走査し、前記第１の検出部より得られる信号に基づいて前記生体サンプルを判別する際に、前記第２の検出部で得られる信号に基づき、前記光源側集光レンズと支持体との相対位置を一定に保つように前記アクチュエータを駆動するようにしたことを特徴とするものである。

本発明の生体サンプル判別装置は、生体サンプルを支持する支持体を回転させた場合に面ぶれが生じても、それに追従して面ぶれを吸収する方向に、光源側集光レンズ、検出側集光レンズを一体的に駆動するようにしているので、支持体からの反射光や拡散光が変動するようなことはなくなる。よって、支持体表面にピットやウオブルなどを形成した場合であっても、反射光の影響を受けることなくノイズレベルを低減できるので、微量な生体サンプル量でも高感度に測定可能とすることができるようになる。

以下に、本発明の生体サンプル判別装置の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の一実施の形態における生体サンプル判別装置のブロック図を示す。図１において、１は生体サンプルを支持するプレートであり、生体サンプルを流すための流路２を有する上基板と、生体サンプルに照射する光のうち一部を反射し、一部を透過する光透過膜３をその表面に有する下基板とを貼りあわせてなる円盤状のものである。

上基板、下基板は、ポリカーボネートやアクリル樹脂などの透明系の材料を用いることができ、光透過膜３は、金や、銀、アルミなどの薄膜を下基板表面に蒸着することにより形成することができる。

１０は半導体レーザであり、生体サンプルへ照射するため光源である。１１はコリメートレンズであり、半導体レーザ１０からの光を集光し、平行光に変換する。１２はハーフミラーであり、コリメートレンズ１１で平行光にされた半導体レーザ１０の光の約半分を反射し、残りの光は透過させる。１３は光源側集光レンズであり、ハーフミラー１２で反射された光を流路２と光透過膜３とに集光する。

光源側集光レンズ１３より照射された光のうち、光透過膜３で一部の光は反射され、一部は透過する。光透過膜３で反射された光は、再び、光源側集光レンズ１３に戻ってきて、光源側集光レンズ１３を透過し、ハーフミラー１２へ到達する。そのうち、約半分の光がハーフミラー１２を透過し、位置誤差検出用光学部品１４へ到達、透過し、位置誤差検出用受光素子１５へ到達する。

位置誤差検出用光学部品１４は、凸レンズ１４ａとシリンドリカルレンズ１４ｂの組み合わせからなり、非点収差を発生させるとともに位置誤差検出用受光素子１５上に光を集光する。この非点収差により、光源側集光レンズ１３からの光透過膜３上の集光スポットの集光状態に応じて、位置誤差検出用受光素子１５上の集光パターンが変わる。光透過膜３が、光源側集光レンズ１３の焦点位置に位置するときに、照射光が最も絞られ集光スポットが最小になり、位置誤差検出用受光素子１５上の集光パターンは円形となる。光透過膜３が、光源側集光レンズ１３の焦点位置から遠近どちらかにずれると、集光スポットはぼけて、位置誤差検出用受光素子１５上の集光パターンは楕円形となり、その楕円の長軸方向は焦点位置から遠近の方向に応じて９０度異なる方向になる。

位置誤差検出用受光素子１５は、４分割フォトダイオードであり、４つの領域に到達した光の強度に応じた電気信号を出力する。１６はサーボ回路であり、位置誤差検出用受光素子１５の出力より光透過膜３の光源側集光レンズ１３の焦点位置からのずれである位置誤差を演算により求め、誤差信号を増幅し出力する。先にも述べたように合焦状態では位置誤差検出用受光素子１５上の集光パターンが円形となり、４つの領域の光強度は等しく、４分割フォトダイオードの出力は等しくなる。しかし、非合焦状態では位置誤差検出用受光素子１５上の集光パターンが楕円になり光強度の偏りが生じるため、４分割フォトダイオードの出力には偏りが生じる。このように、４分割フォトダイオードの出力を用いて集光されたパターンを電気信号へ変換し、合焦状態からの位置誤差を検出する。

１７はアクチュエータ、１８はアームであり、光源側集光レンズ１３と検出側集光レンズ２０をサーボ回路１６の出力に応じて一体的に駆動し、プレート１に対して近づく方向と遠ざかる方向、プレート中心方向と外側方向に位置を変える。光源側集光レンズ１３と検出側集光レンズ２０とは互いの間隔が所定の間隔に保たれた状態で支持されている。

このように、位置誤差検出用受光素子１５、サーボ回路１６によって、光源側集光レンズ１３の焦点位置からのずれを検出し、アクチュエータ１７によって光源側集光レンズ１３を駆動することによって、光源側集光レンズ１３の焦点が光透過膜３に来るように制御する。これは、光ディスク装置のピックアップのフォーカス制御方式と同様であり、ここでは、非点収差方式と呼ばれる制御方式を利用している。

プレート１の中心方向と外側方向の位置制御については、光ディスク装置のピックアップのトラック制御方式を適用でき、ここでは、プッシュプル方式を利用している。ここで、簡単に、その動作について説明する。

図２は、流路２を拡大した図であり、図２（ａ）は、図１において検出側集光レンズ２０側から流路２を見た上面図、図２（ｂ）は流路の断面図である。図２（ａ）において、４０は、照射光が正確に流路をトレースできるようガイドするためのピットであり、流路２中央の下基板に形成している。照射光をガイドするには、ピット以外にもウオブルなどの溝形状を形成してもよい。

図２（ｂ）では、照射光が流路に刻まれたピット４０に焦点を結んでいる状態を示しており、ビームが最も細くなっているくびれ部分、いわゆるビームウエストよりも、ピット４０の幅は狭いことを示している。また、照明光の光源である半導体レーザ１０の波長λとすると、ピットの深さはλ／４になっている。

このため、ピット４０からの反射光とピット以外の部分からの反射光の光路長差がλ／２となり、位相が１８０度異なるため、互いに打ち消しあう。照明光、及び反射光の光軸とピットの中心が一致している場合は、光透過膜３上で光軸を中心に左右のピット部とピット以外の領域は対称になるため、左右の光強度分布は等しくなる。しかし、照明光、及び反射光の光軸とピットの中心が一致していない場合は、光透過膜３上で光軸を中心に左右のピット部とピット以外の領域は非対称になるため、左右の光強度分布は異なる。

この光強度差を位置誤差検出用受光素子１５である４分割フォトダイオードで検出し、サーボ回路１６で演算することにより、照明光の焦点のピット中心からのずれを検出し誤差を求める。求めた誤差量を元にアクチュエータ１７を駆動して、光源側集光レンズ１３のプレート１の中心方向と外側方向との位置制御を行い、照明光をピット中心に保つことが出来る。

再び図１に戻り説明をする。一方の光透過膜３を透過した光は、検出側集光レンズ２０へ到達し平行光にされる。２１は集光レンズ、２２は開口、２３は信号検出用受光素子であり、検出側集光レンズ２０にて平行となった光が集光レンズ２１で集光され、開口２２を通過した光のみが信号検出用受光素子２３に入射し、電気信号に変換される。ここで、開口２２は検出側集光レンズ２０の焦点と共役な位置に配置され、検出側集光レンズ２０の焦点付近の光のみを通過させ、不要な光を遮断し、検出信号のＳ／Ｎ比を向上させる働きをする。

本実施の形態において、もっとも特徴的な構成は、光源側集光レンズ１３と検出側集光レンズ２０とは、アーム１８で連結固定されており、光源側集光レンズ１３の焦点と検出側集光レンズ２０の焦点とが一致するようにレンズ間距離が調整されて固定されていることである。このため、先に述べた照射光の焦点位置をプレート上のピットに位置合わせすることで、検出側集光レンズ２０の焦点位置もプレート上のピットに位置合わせすることができるのである。

３０は、コントローラであり、レーザ１０をオン／オフしたり、信号検出用受光素子２３からの信号をＡ／Ｄ変換して信号処理を行ったり、サーボ動作のオン／オフを行ったり、流路をスキャンする際に回転モータ３１をオン／オフしたりして、装置全体を制御する。

図３は、プレート１の上面図である。同心円上に電気泳動が行われる流路２が４組あり、その両端には電極を挿入する電極穴５０と電極穴５１とがある。電気泳動の流路と交差して、生体サンプル導入用の流路があり、その両端には電極を挿入する電極穴５２と電極穴５３とがある。

あらかじめ、流路全体にＤＮＡサンプルを分離する分離用ＤＮＡコンジュゲートを詰めておく。電極穴５２にＤＮＡサンプルを入れ、電極穴５２にマイナス、電極穴５３にプラスの４００〜１０００Ｖ程度の電圧を印加すると、ＤＮＡサンプルはマイナスの電荷を持っているため、プラスの電極側へ連続的に引っ張られていき、時間の経過と共に生体サンプル導入用の流路全体に満たされるようになる。次に、電極穴５０にマイナス、電極穴５１にプラスの４００〜１０００Ｖ程度の電圧を印加すると、電気泳動用の流路とサンプル導入用の流路がクロスした領域にあるＤＮＡサンプルだけが切り取られるように電極穴５１の方向に引き寄せられる。つまり、一定量のＤＮＡサンプルを電気泳動させることができる。

例えば、ＤＮＡサンプルの異常ＤＮＡのＤＮＡ配列がＡＴＣＧＣＧＴを含み、正常ＤＮＡがＡＴＣＡＣＧＴを含む場合、下線で示した部分で異常ＤＮＡと正常ＤＮＡの塩基が異なっている。このとき、分離用ＤＮＡコンジュゲートのＤＮＡ部分の配列をＴＡＧＣＧＣＡとすると、正常ＤＮＡは下線部においてＤＮＡコンジュゲートと相補的ではなくなる。これにより、全体の結合力は異常ＤＮＡの方が正常ＤＮＡより１塩基分大きくなり、電気泳動時に異常ＤＮＡの方が正常ＤＮＡより遅延して泳動される。

正常ＤＮＡと異常ＤＮＡと両方含むＤＮＡサンプルを用いて電気泳動を行い、一定時間経過すると、正常ＤＮＡが電極穴５１により近い所にまで到達し、異常ＤＮＡは遅れるため、より遠い位置にしか到達できない。この状態で、プレート１を回転させて、電気泳動用の流路をスキャンさせると、ＤＮＡの分布に応じて信号を得ることができる。

図４は、電極穴５１から電極穴５０方向にスキャンした際の信号の様子を示しており、縦軸は吸光度を、横軸は時間を示している。図の左側の山は正常型ＤＮＡの分布であり、右側の山は異常型ＤＮＡの分布である。正常型ＤＮＡ、異常型ＤＮＡの片方だけしかＤＮＡサンプルに含まれていない場合は、片方の山しか現れない。

プレート１は、樹脂でできており、μｍレベルで平面度が出ているわけではなく、プレート１を回転させると面振れや偏芯がある。流路２に着目すると、流路２をスキャンする際、プレート１の回転により、光源側集光レンズ１３から遠ざかる方向と近づく方向、内周方向と外周方向とに変動する。

しかし、光源側集光レンズ１３の焦点位置はピット上をトレースするように制御されているので、流路位置の変動にかかわらず流路上に照明光を照射することができる。

さらに、本実施の形態において特徴的なこととして、光源側集光レンズ１３と検出側集光レンズ２０とは、アーム１８で連結固定され、光源側集光レンズ１３の焦点と検出側集光レンズ２０の焦点とが一致するようにレンズ間距離が調整されて固定されている構成である。そして、ピット４０からの照明光の反射光を用いて、光源側集光レンズ１３の焦点がピット上に来るようにアクチュエータ１７で制御している。このためプレート１の回転により面ぶれが生じても、それに追従するように光源側集光レンズ１３と検出側集光レンズ２０とを駆動することができ、検出側集光レンズ２０の焦点位置もプレート上のピットの位置に合焦させることができる。よって面ぶれによる支持体からの反射光や拡散光の影響を排除して、照射された光を最も効率よく検出することができる。

プレート１の面振れ量や偏芯量は、プレート１の流路２の成型精度と、回転モータ３１の軸及び、プレートの取り付け精度に依存する。プレート１の面振れ量や偏芯量は複数の要因で発生し、一般的なメカ精度は±５０μｍ程度であることより、かなり精度良く作ったとしてもコストとの兼ね合いも考慮して実用的には少なくとも±１００μｍ程度の面振れ、偏芯を見込む必要がある。一方、流路のサイズは断面積が小さいほど電気泳動時の分解能を高くでき、より幅を狭く、深さを浅くする必要があるが、ここでは、流路のサイズは幅を２００μｍ、深さを５０μｍとした。

この場合に光源側集光レンズ１３と検出側集光レンズ２０を固定しておくと、偏芯量の幅と流路の幅が等しいので、偏芯によって照射光４１は流路の端から端までを行ったり来たりすることになり、照射光４１が流路のちょうど端に位置すると励起光の照射領域は約半分になるため、蛍光の検出感度が５０％減少する状態が偏芯によって生ずる。また、面振れによって、検出側集光レンズ２０との距離が変わると蛍光を集光できる立体角が変化し、対物レンズの焦点距離を５ｍｍとすると、面振れ−１００μｍの位置では、立体角が約８％減少するため、蛍光の検出感度が約８％減少する。

これら、面振れ量と偏芯量±１００μｍに応じて光源側集光レンズ１３と検出側集光レンズ２０を制御する事によって、偏芯による感度５０％の低下と、面振れによる感度８％の低下が生じることなく、一定の感度で蛍光検出を行うことができる。

またプレート１の回転数を高く設定すると、アクチュエータ１７を駆動する帯域をより広くする必要があり、回転数が低い場合にはアクチュエータ１７を駆動する帯域は狭くてかまわない。ここではプレート１の回転数を１２０ｒｐｍとし、周波数で表すと２Ｈｚとなる。

アクチュエータ１７は光源側集光レンズ１３と検出側集光レンズ２０とアーム１８とを駆動する必要があり、余裕を持って駆動するために、これら駆動系の共振周波数をプレート１の回転周波数の２Ｈｚよりも大きい１０Ｈｚとした。

制御の残留誤差を±１μｍ未満とするためには、外乱である面振れ量や偏芯量が±１００μｍであることより、制御のループゲインを１００倍（＝４０ｄＢ）以上とする必要がある。ここでは、ＤＣ〜１０Ｈｚの開ループゲインを４６ｄＢとし、１０Ｈｚ〜１ｋＨｚを−２０ｄＢ／ｏｃｔ、１ｋＨｚ〜４ｋＨｚを−１０ｄＢ／ｏｃｔで位相補償を行ってゼロクロス周波数を３ｋＨｚとし、仕上がりサーボ帯域を３ｋＨｚとすることにより、回転数２Ｈｚに余裕を持って光源側集光レンズ１３と検出側集光レンズ２０と追随させるようにしている。

以上のように、本実施の形態１においては、光源側集光レンズ１３の焦点と検出側集光レンズ２０の焦点とが一致するように、アーム１８でレンズ間距離を調整して固定し、ピット４０からの照明光の反射光を用いて光源側集光レンズ１３の焦点がピット上に来るようにアクチュエータ１７で制御している。

これにより、検出側集光レンズ２０の焦点位置も同時に制御でき、検出光の効率を最大にできる。また透過光で検出光を得る事で透過光にはピットなどによる光の干渉の影響がなくなるので、検出光に含まれるノイズレベルを低減することができる。このように本実施の形態によれば、得られる信号を最大にし、ノイズはより低くし、Ｓ／Ｎ比の良い信号を検出して、微量な生体サンプル量でも高感度に測定可能とすることができる。

また、本実施の形態１では、サンプルで吸収する光の量を測定する吸光度測定で説明したが、検出側集光レンズ２０と信号検出用受光素子２３との間に半導体レーザ１０の光の波長を遮断する蛍光フィルタを挿入し、また、半導体レーザ１０と光源側集光レンズ１３との間に半導体レーザ１０の光の波長を透過する励起フィルタを挿入する事により、蛍光信号として生体サンプルからの信号を検出でき、蛍光測定についても適用できる。

また、電気泳動の流路をスキャンするように説明したが、ＤＮＡチップのスキャンについても同様に実施可能である。

さらに、光源側集光レンズ１３の焦点位置ずれ検出には非点収差法を用いたが、光ディスク装置で用いるフーコー法、スポットサイズ法などの焦点位置ずれ検出方法を用いてもかまわない。

さらにまた、プレート１の中心方向と外側方向の位置ずれ検出にはプッシュプル法を用いたが、光ディスク装置で用いる３ビーム法、位相検出法などのピット位置ずれ検出方法を用いてもかまわない。

さらにまた、照明光４１の位置決めにはピット４０を用いているが、ピットではなく、ウオブルなどの連続溝でもかまわないし、溝とピットの混在でもかまわない。

また、流路２のサイズがピット４０のサイズに対してかなり大きいものであると説明したが、例えば、半導体レーザの波長が６３５ｎｍとすると、照明光４１のビームサイズは、０．７μｍくらいになる。ピットの幅はビームサイズの半分の０．３５μｍとするのが位置ずれ検出感度的には良い。この場合には、ピットの両サイドの幅は少なくともピット幅程度が必要なので、流路幅の最小寸法は、ピット幅の３倍の１．０５μｍ以上とする必要がある。つまり、流路断面形状として数μｍ角の微小な流路とすることができ、それに伴い、生体サンプル量も微少量とすることができる。

また、本実施の形態では、流路２の照明光側の壁面に光透過膜３、及びピット４０が形成されているが、反対側の検出光側の壁面に光透過膜３、及びピット４０が形成されていてもかまわないし、流路壁面ではなく、流路壁面と距離を一定に保つスペーサを挟んだ所に光透過膜、及びピットが形成されていてもかまわない。後者の流路壁面と光透過膜、及びピットとが離れている場合は、照明光４１の焦点位置から離れる事になるので、ビームが広がり、流路壁面と光透過膜、及びピットとの距離の設定により流路全体にビームを照射することもできるというメリットもある。

また、本実施の形態では、生体サンプルとしてＤＮＡを用いているが、タンパク質等の他の生体サンプルでも適用可能である。

（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２における生体サンプル判別装置のブロック図を示す。図５において、１９は光源側用アクチュエータであり、２４は検出側用アクチュエータであり、実施の形態１の構成と異なるところは、光源側集光レンズ１３と検出側集光レンズ２０とを連結固定するアームを廃し、光源側集光レンズ１３と検出側集光レンズ２０と独立してアクチュエータで駆動するようにした点である。その他、実施の形態１と同じ構成については同じ符号を付して説明を略する。

本実施の形態で特徴的なことは、光源側用アクチュエータ１９と、検出側用アクチュエータ２４とは、サーボ回路１６より独立に接続されており、独立に駆動することができるようになっている。基本的には実施の形態１と同様に、ピットからのズレを非点収差法とプッシュプル法で検出し、光源側用アクチュエータ１９と、検出側用アクチュエータ２４とにフィードバックして、ピットに焦点を結ぶように位置制御する。

駆動信号を加えない中立の状態で、光源側集光レンズ１３の焦点と検出側集光レンズ２０の焦点とが一致するように、検出側用アクチュエータ２４の信号には光源側用アクチュエータ１９の信号に対してオフセットを加算している。また、光源側集光レンズ１３の変位と検出側集光レンズ２０の変位とが同じになるように、検出側用アクチュエータ２４の信号には光源側用アクチュエータ１９の信号に対してゲインを調整している。

これによって、光源側集光レンズ１３と検出側集光レンズ２０とを一定の距離を保って駆動することができ、光源側集光レンズ１３の焦点をピット４０に位置制御することで、検出側集光レンズ２０の焦点も焦点をピット４０に位置制御することができる。

以上のように、本実施の形態２においては、光源側集光レンズ１３の焦点と検出側集光レンズ２０の焦点とが一致するようにサーボ回路１６でオフセット、及びゲインを調整している。そしてピット４０からの反射光を用いて光源側集光レンズ１３の焦点がピット上に来るように光源側用アクチュエータ１９で制御するとともに、光源用アクチュエータ１９を制御する信号を用いて、検出側集光レンズ２０を駆動するアクチュエータ２４を制御している。

これにより光源側集光レンズ１３とともに、検出側集光レンズ２０の焦点位置も同時に制御できるので、プレート１の回転により面ぶれが生じても、検出光の効率を最大にすることができる。さらに透過光で検出光を得る事で透過光にはピットによる光の干渉の影響がないので、検出光に含まれるノイズレベルを低減することができる。このように信号を最大にし、ノイズはより低くし、Ｓ／Ｎ比の良い信号を検出して、微量な生体サンプル量でも高感度に測定可能とすることができる。

また、本実施の形態２では光源側集光レンズ１３と検出側集光レンズ２０と独立してアクチュエータを設けることにより、アーム１８を削除し、可動部の質量を低減できるので、より高速にレンズを駆動することができ、高速なスキャン時にも正確に追従可能となるメリットと、アクチュエータをより小型の物で実現できるメリットと、より少ない電力で制御できるメリットがある。

また、本実施の形態２においては、サンプルで吸収する光の量を測定する吸光度測定だけでなく、検出側集光レンズ２０と信号検出用受光素子２３との間に半導体レーザ１０の光の波長を遮断する蛍光フィルタを挿入し、また、半導体レーザ１０と光源側集光レンズ１３との間に半導体レーザ１０の光の波長を透過する励起フィルタを挿入する事により、蛍光信号として生体サンプルからの信号を検出でき、蛍光測定についても適用できる。

また、本実施の形態２においては、電気泳動の流路のスキャンだけでなく、ＤＮＡチップのスキャンについても同様に実施可能である。

また、本実施の形態２においては、光源側集光レンズ１３の焦点位置ずれ検出には、非点収差法だけでなく、光ディスク装置で用いるフーコー法、スポットサイズ法などの焦点位置ずれ検出方法を用いてもかまわない。

また、本実施の形態２においては、プレート１の中心方向と外側方向の位置ずれ検出には、プッシュプル法だけでなく、光ディスク装置で用いる３ビーム法、位相検出法などのピット位置ずれ検出方法を用いてもかまわない。

また、本実施の形態２においては、照明光４１の位置決めにはピット４０を用いるほか、ウオブルなどの連続溝でもかまわないし、溝とピットの混在でもかまわない。

また、本実施の形態２において、流路２のサイズとピット４０のサイズについては、例えば、半導体レーザの波長が６３５ｎｍとすると、照明光４１のビームサイズは、０．７μｍくらいになる。ピットの幅はビームサイズの半分の０．３５μｍとするのが位置ずれ検出感度的には良い。この場合には、ピットの両サイドの幅は少なくともピット幅程度が必要なので、流路幅の最小寸法は、ピット幅の３倍の１．０５μｍ以上とする必要がある。つまり、流路断面形状として数μｍ角の微小な流路とすることができ、それに伴い、生体サンプル量も微少量とすることができる。

また、本実施形態２においては、流路２の照明光側の壁面に光透過膜３、及びピット４０を形成できる他、反対側の検出光側の壁面に光透過膜３、及びピット４０が形成されていてもかまわないし、流路壁面ではなく、流路壁面と距離を一定に保つスペーサを挟んだ所に光透過膜、及びピットが形成されていてもかまわない。後者の流路壁面と光透過膜、及びピットとが離れている場合は、照明光４１の焦点位置から離れる事になるので、ビームが広がり、流路壁面と光透過膜、及びピットとの距離の設定により流路全体にビームを照射することもできるというメリットもある。

また、本実施の形態２では、生体サンプルとしてＤＮＡを用いる他、タンパク質等の他の生体サンプルでも適用可能である。

（実施の形態３）
図６は、本発明の実施の形態３における生体サンプル判別装置のブロック図を示す。図６において、２５はハーフミラー、２６は位置誤差検出用光学部品、２７は位置誤差検出用受光素子、２８はサーボ回路であり、実施の形態２との構成と異なるところは、検出側にもサーボ用の誤差検出部品と回路とを独立して設けた点である。

光源側集光レンズ１３の焦点位置制御については、実施の形態１、２と同じであるので説明を略する。検出側集光レンズ２０の焦点位置制御には、専用の位置誤差検出とサーボ回路をもっている。具体的には、位置誤差検出用光学部品２６は、凸レンズ２６ａとシリンドリカルレンズ２６ｂを用い、位置誤差検出用受光素子１４と同じ構成としている。そしてサーボ回路２８はサーボ回路１６と同じ構成としている。検出側集光レンズ２０の焦点は、実施の形態１と同様に、ピットからのズレを非点収差法とプッシュプル法で検出し、検出側用アクチュエータ２４とにフィードバックして、ピットに焦点を結ぶように位置制御する。

以上のように、本実施の形態３においては、ピット４０からの反射光を用いて光源側集光レンズ１３の焦点がピット上に来るように光源側用アクチュエータ１９で制御し、光透過膜３を透過した照明光を用いて、検出側集光レンズ２０の焦点がピット上に来るように検出側用アクチュエータ２４で制御している。

これにより検出光の効率を最大にできるとともに、ノイズはより低くし、Ｓ／Ｎ比の良い信号を検出して、微量な生体サンプル量でも高感度に測定可能とすることができる。また透過光で検出光を得る事で透過光にはピットによる光の干渉の影響をなくすることができる。

また、本実施の形態３では光源側集光レンズ１３と検出側集光レンズ２０と独立してアクチュエータで駆動することにより、アーム１８を削除し、可動部の質量を低減できるので、より高速にレンズを駆動することができ、高速なスキャン時にも正確に追従可能となるメリットと、アクチュエータをより小型の物で実現できるメリットと、より少ない電力で制御できるメリットがある。

また、本実施の形態３では、サンプルで吸収する光の量を測定する吸光度測定を行える他、検出側集光レンズ２０と信号検出用受光素子２３との間に半導体レーザ１０の光の波長を遮断する蛍光フィルタを挿入し、また、半導体レーザ１０と光源側集光レンズ１３との間に半導体レーザ１０の光の波長を透過する励起フィルタを挿入する事により、蛍光信号として生体サンプルからの信号を検出でき、蛍光測定についても適用できる。

また、本実施の形態３では、電気泳動の流路のスキャンするように構成できる他、ＤＮＡチップのスキャンについても同様に実施可能である。

また、本実施の形態３では、光源側集光レンズ１３、及び検出側集光レンズ２０の焦点位置ずれ検出には非点収差法を用いることができる他、光ディスク装置で用いるフーコー法、スポットサイズ法などの焦点位置ずれ検出方法を用いてもかまわない。

また、本実施の形態３では、照明光４１の位置決めにはピット４０を用いることができる他、ピットではなく、ウオブルなどの連続溝でもかまわないし、溝とピットの混在でもかまわない。

また、本実施の形態３では、流路２のサイズとピット４０のサイズは、例えば、半導体レーザの波長が６３５ｎｍとすると、照明光４１のビームサイズは、０．７μｍくらいになる。ピットの幅はビームサイズの半分の０．３５μｍとするのが位置ずれ検出感度的には良い。この場合には、ピットの両サイドの幅は少なくともピット幅程度が必要なので、流路幅の最小寸法は、ピット幅の３倍の１．０５μｍ以上とする必要がある。つまり、流路断面形状として数μｍ角の微小な流路とすることができ、それに伴い、生体サンプル量も微少量とすることができる。

また、本実施の形態３では、プレート１の中心方向と外側方向の位置ずれ検出にはプッシュプル法を用いることができる他、光ディスク装置で用いる３ビーム法、位相検出法などのピット位置ずれ検出方法を用いてもかまわない。

また、本実施の形態３では、流路２の照明光側の壁面に光透過膜３、及びピット４０を形成できる他、反対側の検出光側の壁面に光透過膜３、及びピット４０が形成されていてもかまわないし、流路壁面ではなく、流路壁面と距離を一定に保つスペーサを挟んだ所に光透過膜、及びピットが形成されていてもかまわない。後者の流路壁面と光透過膜、及びピットとが離れている場合は、照明光４１の焦点位置から離れる事になるので、ビームが広がり、流路壁面と光透過膜、及びピットとの距離の設定により流路全体にビームを照射することもできるというメリットもある。

また、本実施の形態３では、生体サンプルとしてＤＮＡを用いているが、タンパク質等の他の生体サンプルでも適用可能である。

本発明にかかる生体サンプル判別装置は、チップを用いて微量な生体サンプルで高感度に測定できる特徴を有し、ＤＮＡサンプル等の生体サンプルの判別を、安価で、且つ簡便に行えるようにするものとして有用である。

本発明の実施の形態１における生体サンプル判別装置のブロック図 同装置に用いるプレートの拡大上面図および拡大断面図 同装置に用いるプレートの上面図 同装置における信号検出結果を説明する図 本発明の実施の形態２における生体サンプル判別装置のブロック図 本発明の実施の形態３における生体サンプル判別装置のブロック図

符号の説明

１ プレート
２ 流路
３ 光透過膜
１０ 半導体レーザ
１１ コリメートレンズ
１２、２５ ハーフミラー
１３ 光源側集光レンズ
１４、２６ 位置誤差検出用光学部品
１４ａ、２６ａ 凸レンズ
１４ｂ、２６ｂ シリンドリカルレンズ
１５、２７ 位置誤差検出用受光素子
１６、２８ サーボ回路
１７ アクチュエータ
１８ アーム
１９ 光源側用アクチュエータ
２０ 検出側集光レンズ
２１ 集光レンズ
２２ 開口
２３ 信号検出用受光素子
２４ 検出側用アクチュエータ
３０ コントローラ
３１ 回転モータ
４０ ピット
４１ 照射光
５０、５１、５２、５３ 電極穴

Claims (8)

1. 生体サンプルに光を照射し、該生体サンプルから得られる光を検出して、該生体サンプルの判別を行う生体サンプル判別装置において、
   前記生体サンプルに向けて光を照射するための光源と、
   該光源からの光を前記生体サンプルへ集光して照射するための光源側集光レンズと、
   生体サンプルからの光を集光するための検出側集光レンズと、
   前記検出側集光レンズを通して得られる光を受光し、前記生体サンプルを判別するための信号を生成する第１の検出部と、
   前記生体サンプルを支持する支持体より得られる反射光を受光し、前記支持体と光源側集光レンズとの相対位置に対応する信号を生成する第２の検出部と、
   前記光源側集光レンズと検出側集光レンズとを予め定めた所定の間隔に保った状態で、これらの位置を可変なように、両レンズを一体的に駆動するアクチュエータと、
   を備えており、
   前記光源と、前記生体サンプルを支持する支持体とを相対的に移動させながら前記支持体を走査し、前記第１の検出部より得られる信号に基づいて前記生体サンプルを判別する際に、
   前記第２の検出部で得られる信号に基づき、前記光源側集光レンズと支持体との相対位置を一定に保つように前記アクチュエータを駆動するようにしたことを特徴とする生体サンプル判別装置。
2. 生体サンプルに光を照射し、該生体サンプルから得られる光を検出して、該生体サンプルの判別を行う生体サンプル判別装置において、
   前記生体サンプルに向けて光を照射するための光源と、
   該光源からの光を前記生体サンプルへ集光して照射するための光源側集光レンズと、
   該光源側集光レンズの位置を可変なように駆動する第１のアクチュエータと、
   生体サンプルからの光を集光するための検出側集光レンズと、
   前記検出側集光レンズの位置を可変なように駆動する第２のアクチュエータと、
   前記検出側集光レンズを通して得られる光を受光し、前記生体サンプルを判別するための信号を生成する第１の検出部と、
   前記生体サンプルを支持する支持体より得られる反射光を受光し、前記支持体と光源側集光レンズとの相対位置に対応する信号を生成する第２の検出部と、
   を備えており、
   前記光源と、前記生体サンプルを支持する支持体とを相対的に移動させながら前記支持体を走査し、前記第１の検出部より得られる信号に基づいて前記生体サンプルを判別する際に、
   前記第２の検出部で得られる信号に基づき、前記光源側集光レンズと支持体との相対位置を一定に保つように前記第１および第２のアクチュエータを駆動するようにしたことを特徴とする生体サンプル判別装置。
3. 第１のアクチュエータを駆動する制御信号を用いて、第２のアクチュエータを駆動するよう構成するに際し、
   前記制御信号に対する各集光レンズの変位を予め求めておき、
   前記変位に基づいて第２のアクチュエータへ加える制御信号の振幅を変えるようにしたことを特徴とする請求項２記載の生体サンプル判別装置。
4. 第１のアクチュエータを駆動する制御信号を用いて、第２のアクチュエータを駆動するよう構成するに際し、
   前記制御信号に対する各集光レンズの変位を予め求めておき、
   前記変位に基づいて第２のアクチュエータへ加える制御信号にオフセット加えるようにしたことを特徴とする請求項２記載の生体サンプル判別装置。
5. 生体サンプルに光を照射し、該生体サンプルから得られる光を検出して、該生体サンプルの判別を行う生体サンプル判別装置において、
   前記生体サンプルに向けて光を照射するための光源と、
   該光源からの光を前記生体サンプルへ集光して照射するための光源側集光レンズと、
   該光源側集光レンズの位置を可変なように駆動する第１のアクチュエータと、
   生体サンプルからの光を集光するための検出側集光レンズと、
   前記検出側集光レンズの位置を可変なように駆動する第２のアクチュエータと、
   前記検出側集光レンズを通して得られる光を受光し、前記生体サンプルを判別するための信号を生成する第１の検出部と、
   前記生体サンプルを支持する支持体より得られる反射光を受光し、前記支持体と光源側集光レンズとの相対位置に対応する信号を生成する第２の検出部と、
   前記支持体からの光より前記検出側集光レンズと前記支持体との相対位置に対応する信号を生成する第３の検出部とを、備えており、
   前記光源と、前記生体サンプルを支持する支持体とを相対的に移動させながら前記支持体を走査し、前記第１の検出部より得られる信号に基づいて前記生体サンプルを判別する際に、
   前記第２の検出部で得られる信号に基づき、前記光源側集光レンズと支持体との相対位置を一定に保つように前記第１のアクチュエータを駆動するとともに、
   前記第３の検出部より得られる信号に基づき、前記検出側集光レンズと前記支持体との相対位置を一定に保つよう前記第２のアクチュエータを駆動するようにしたことを特徴とする生体サンプル判別装置。
6. 前記生体サンプルを支持する支持体は平板状であり、前記支持体は、少なくともその一部に、照射された光の一部を透過し、一部を反射する光透過膜を備えていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の生体サンプル判別装置。
7. 前記支持体には、生体サンプルが導入される流路が形成されており、前記流路中を移動する生体サンプルを判別するようにしたことを特徴とする請求項６に記載の生体サンプル判別装置。
8. 流路が前記支持体の軸心から一定の距離の円周上に形成されてあり、前記支持体を回転させながら走査して生体サンプルを判別するようにしたことを特徴とする請求項７に記載の生体サンプル判別装置。
   

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