JP2006522330A - 生化学反応のリアルタイムモニタリング装置 - Google Patents

生化学反応のリアルタイムモニタリング装置 Download PDF

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Abstract

本発明は多種の生物学的試料を反応させながら反応の進行程度をリアルタイムで測定する装置に関する。より詳しくは、本発明は、プレート全体に均一の強度で有効に光を照射するための放物面鏡及び／又は光学導波管を有する生化学反応のためのリアルタイムモニタリング装置に関する。

Description

本発明は多種の生物学的試料を反応させながらリアルタイムで反応の程度を測定する装置に関する。より詳しくは、反応チューブに熱を供給することができる熱供給源である熱電素子及び試料を含んだ反応チューブに熱を伝えるための熱伝達ブロックからなる温度調節ブロック系と；前記反応チューブ内の試料に光を均一に照射するためのランプと光導波管からなる照射光源部；そして、前記照射光源部に照射する光により発する蛍光を受光するための受光部で構成される光学系を含む生化学的反応のリアルタイムモニタリング装置に関する。
本発明は多種の生物学的試料を反応させながら反応の進行程度をリアルタイムで測定する装置に関する。より詳しくは、反応チューブに熱を供給することができる熱供給源である熱電素子及び試料を含んだ反応チューブに熱を伝えるための熱伝達ブロックからなる温度調節ブロック系と；前記反応チューブ内の試料に均一な光を照射するためのランプと光導波管からなる照射光源部；そして、 前記照射光源部に照射する光により発する蛍光を受光するための受光部で構成される光学系を含む生化学的反応のリアルタイムモニタリング装置に関する。
最近、半導体の製作に使われるリソグラフィー技術を利用したガラス、シリコン又はプラスチックに必要な分析装置を超小型に製作し、必要な物質を高速、高感度で分析する装置として、試料の前処理及び反応、分離、検出等の過程を一つのチップの上で連続的に行えるようにしたラボ・オン・チップ(lab-on-a-chip)といわれる化学マイクロプロセッサに対する開発が活発に行われている。
このようなlab-on-a-chipを用いる場合、試料分析による前記の全過程、すなわち試料の前処理、反応、分離及び検出などを連続的に行うことができ、分析試料の量を数マイクロリトル以下に減らすことや数秒又は数分の範囲水準に分析時間を縮めること、そして用いる装備の大きさも超小型化することができる。前記lab-on-a-chipという技術は、1990年代の初めにハリソン(Harrison)が開発した毛細管電気泳動法に基づいているが、毛細管電気泳動を利用して分離分析のできる小さい実験室をチップの上に作られるのが提示されるにつれ知られてきた。
一方、最近、リアルタイム核酸増幅反応(real-time PCR)といわれ、ゲルからの分離方法ではなく、チューブ内からの蛍光の検出を通じて、増幅反応の毎サイクルの進行状態を迅速に測定することができる技術が開発された。ここに使われるリアルタイムPCR装置は、PCR反応のためのサーマルサイクラー(thermal cycler)と反応物の検出のための蛍光測定器(fluorometer)が合体された機器の形である。
前記従来のリアルタイムPCR装置は、熱電素子と試料を含んだ反応チューブに熱を伝えるためのブロックとチューブ内の試料に照射のための照射光源、そして試料から発する蛍光を受光するための受光部で構成されている。
このような従来の技術の動作原理はチューブ内の生物学的試料を反応させるために熱電素子(2)を利用して冷却や加熱のサイクルを繰り返しながら、毎サイクルが終わる度に照射光源と受光部を利用し、試料から発する蛍光量を測定して反応の程度をリアルタイムで示すようにする方式である。
前記装置で反応チューブ内の試料に光を照射するための光源としては、主に従来のハロゲンランプ及びメタルハライドランプを用いた。そして、ランプ(5)から発する光を選択的透過フィルターを用いて必要な波長の光を選択的に透過し、選択的透過フィルターを通過した光を反射鏡(18)と集光レンズ(17)を通じて反応チューブの試料に照射するようにした。
そして、前記のように作られた照射光により反応チューブ内の試料は反応の進行にしたがって蛍光を発するようになる。このように発する蛍光は反射鏡(18)により反射され、集光レンズ(17)に集光する。このように集光された各反応チューブからの蛍光を受光部の受光素子に結象させ、試料の反応の進行程度を連続的にモニタリングして観察・記録することになる。
ところで、前記技術の構成で、ランプの光源は一般的に中心部と端部の間に明るさの差があるガウシアン分布(22)を有し、前記ガウシアン分布を有する光源をまた集光レンズ及び他の光学系に用いても中心部と端部の明るさの差はいつも存在するのである。
このような中心部と端部の明るさの差は、反応チューブの中心に位置した試料の反応程度と端に位置した試料の反応程度が均一でないため、同一試料を反応させても均一なデータを確保しにくいという問題があった。このような従来の問題を解決するための試みが行われてきたが、まだ当業界では日毎に大型化される反応チューブプレートの全領域に均一な強度の照射光を供給することができる適切な技術的手段が提示されていないのである。このような問題のため、反応プレートをより大型化することと共に、反応の進行をモニタリングすることができる試料の数を増加するには限界がある。
したがって、本発明の第一目的は、大型化された反応チューブプレートの全領域に均一な強度の照射光を供給することができる手段を有した反応進行過程の生化学的反応のリアルタイムモニタリング装置を提供するのである。
また、図5に示すように、従来の技術にしたがって構成される反応チューブプレートは四角形の形であるが、ランプとレンズで構成されていた従来の光照射系は円形断面の平面光速を放射するため、円形断面の平面光速はまた四角形の反応チューブプレートに合うように四角形の断面の光速に変わる際、円形断面の端部の一部が除去されざるを得ない。前記除去される光速はランプから発する光速の一部を除去する結果になるため、光源の効率を落とすという問題があった。
このような従来の技術の問題、すなわち光源の効率が低いという問題を解決するために多様な技術的手段を提示してきたが、コンパクトな実験用の装備が適切に採択される適切な手段がまだ講じていない。
そこで本発明者は光源から発する光速を反応チューブプレートの形状に合わせた断面の光導波管を通じ照射光を供給することにより照射光の感度(intensity)を高め、発する蛍光の強度を上昇させ、本発明の反応進行モニタリング装置の感度を高められることに着眼して本発明を完成するに至った。したがって、本発明の目的は照射光源部を通じる光速を鏡に反射させ照射することにより、反応チューブプレートがより大型化されてもプレートの全領域に均一な強度の照射光が供給できるようにする生化学的反応のリアルタイムモニタリング装置を提供するのである。
先行技術の問題を解決するための本発明の目的は反応チューブ(4)に熱を供給することができる熱供給源である熱電素子(2)と反応チューブ(4)に熱を伝えるための熱伝達ブロック(3)からなる温度調節ブロック系；前記反応チューブ内の試料に均一な光を照射するための光源であるランプ(5)、前記ランプから発する熱線を遮断するための熱遮断フィルター(6)、そして前記ランプから発する光を広い領域で均一な光速を確保するために構成された光導波管(8)と第1結象レンズ(10)、反応の進行を選択的にモニタリングするために光を選択的に透過させる選択的透過フィルター１(9)、そして第2反射鏡(11)、第1集光レンズ(17)からなる照射光源部と；そして前記照射光源部から照射される光によって発する蛍光を(15)受光するための受光部(12、13、及び14)と；構成される光学系を含む生化学的試料反応のリアルタイムモニタリング装置を提供するのである。
また、本発明の他の目的は、均一な光量分布を有するようにするため、楕円鏡の形の反射鏡を有する生化学的反応のリアルタイムモニタリング装置を提供するのである。
前記照射光源ランプ(5)から発する光を光導波管(8)の中に集光して、光導波管(8)を内部全反射の形で伝わる。その光は光導波管の端に均一な面光源の形を有し、光導波管(8)の端で第1結象レンズ(10)を通じて反応チューブ(4)内の試料に結象するようになる。その均一な光(31)を照射することにより、反応の進行の程度を全範囲からより容易に測定することができる。
したがって、反応チューブのより広い領域に均一な強度の光を照射することにより、各反応領域の照射光の偏差を減らし反応の程度を均一に測定できるようにして、多数の反応チューブから多種の試料を同時に反応させながら、均一な反応情報の処理ができる装置を提供することができる。
本発明の他の目的は、本発明の光導波管(8)を用いて、四角形の形状(37)の光速を四角形の反応チューブプレートの縦横の比率に合わせて光を照射することにより、従来の技術から生じた除去される光の量を極小化し、光源の使用効率を上昇させ、結果的には反応チューブに照射される光量が増加され、反応モニタリングの感度が向上された生化学的反応のリアルタイムモニタリング装置を提供することである。
本発明は、多種の試料を反応させながらリアルタイムで反応進行の程度を測定・監視する装置に関する。より詳しくは、反応チューブに熱を供給することができる熱供給源である熱電素子及び試料を含んだ反応チューブに熱を伝えるための熱伝達ブロックからなる温度調節ブロック系と前記反応チューブ内の試料に均一な光を照射するためのランプと光導波管からなる照射光源部；そして前記照射光源部から照射される光によって発する蛍光を受光するための受光部で構成された光学系；を含む生化学的反応のリアルタイムモニタリング装置に関する。
本発明の温度調節ブロック系は試料と反応チューブ(4)を冷却や加熱させる過程を反復的に行うための熱電素子(2)と、試料を含んだ反応チューブ(4)に熱を伝えるための熱伝達ブロック(3)で構成されている。また、前記熱電素子の効率を増加させるために放熱板(1)をもっと具備してもよい。前記の温度調節ブロック系によって冷却や加熱の過程を繰り返して行うと、遺伝子増幅反応においては反応チューブ内の生物学的試料の量が2nに(n：反復サイクルの数)漸次的に増幅される。
本発明の生化学的反応のリアルタイムモニタリング装置では、前記のように増幅される反応の進行の程度をリアルタイムで測定するための照射光源部と受光部で構成された光学系が温度調節ブロック系の上に設置されている。
本発明の照射光源部は反応チューブ内の試料に照射される光を発生させるための光源であるランプ(5)、光源から出る熱線を遮断するための熱遮断フィルター(6)、照射光源から発する光を一定な形状の断面を有する光速に進むようにするための光導波管(8)と第1結象レンズ(10)、チューブ内の反応進行を特定波長の光を選択してモニタリングするため、特定波長の光を選択的に透過させる選択的透過フィルター1(9)、前記照射光(16)により発する蛍光(15)を受光するための集光レンズ1(17)及び光路を変える第2反射鏡(11)で構成されている。
本発明では、従来の技術の根本的な問題である光源の中心部に照射される光量と反応チューブプレートの端部に照射される光量(32)との間の差を減らすため、光源の手前に光導波管(8)を設置して前記従来の技術の問題を解決した。光源から発する光が広い領域にも均一に照射されるようにするための光導波管(8)は導波媒質(n2)と周辺の空気の屈折率(n1)を用い内部全反射を起こすようにして、光導波管(8)の内部に入った光は光導波管(8)を通じ、出光部(27)の方に出て出光部(27)の面から均一な面光源を構成するようにした。
一般的に、ランプ又はレンズの形の光学系からの集光において分布される光の強度を見ると、中心部は強いが端部は弱いのである。このような差は中心部に照射される光の強度に比べ、端部に照射される光の強度が中心部の約50〜60％に過ぎないためである。このような強さの差は、中心部で反応される生物学的試料が端部で反応される試料に比べ前期の光の強度間の差と同じくらい感度や反応程度が高く出てくる。
それで従来の技術では、このような問題を解決するために全体的に測定された値を基準として端部の強さに合わせ全体的な感度を低くして分析してきた。しかし、このような感度の調節を行うと装置全体の感度が低くなる問題がある。また、このような全体的な感度の減少問題をできるだけ解決するため、受光素子を超高感度の受光素子を用いる場合もあるが、このようにすると装置全体の大きさが大きくなり、装置の価格も高くなる。
したがって、本発明ではこのような従来の技術の根本的な問題を解決するために照射光源部(5)のランプ第1反射鏡(7)を楕円鏡の形にし、ひとつの点に集光させることにより、光導波管(8)の内部に最大限の光が集まるようにした。照射光源から発する光の感度を広い光速断面の領域に均一にするために導波管(8)が設置される。このような光導波管(8)は導波媒質(n2)と周辺の空気の屈折率(n1)を利用して、入射光(29)の入射角(i)が臨界角(c)より大きい又は同じ光線は光導波管(8)の内部で内部全反射(30)を起こし、入射光(29)は光分散による強度の損失なしに光導波管(8)を通じて出光部(27)の方に出る。そして、出光部(27)の断面には光の感度が断面にかけて均一な面光源を形成するようにした。
本発明において、光導波管(8)の媒質の屈折率は1.35から2.0であることが好ましい。媒質内で内部全反射の条件は下記のように入射光(29)の入射角(i)が臨界角より大きい又は同じである条件を満足させるべきだ。図４の番号の30は反射光を、26は出射光を、32は屈折光を示す。
n1Sin(i) = n2Sin(o) の条件で、
n1 = 1.0, sin(o) = 1 (n1：空気の屈折率, o = 90度)
sin(c) = n2 (i(入射角)＞c(臨界角))
図３に示すように、このように光速の断面に均一に分散された強度を有する本発明の面光源は、反応プレート(34)の中心部に照射される光の強度に比べ、端部に照射される光の強度が約85％以上(21)になり、従来の技術に比べ遥かに向上された光強度均一度を確保することにより、より均一に反応の進行程度をモニタリングできるようにした。
一方、生物学的試料間の反応を同時に多数を行うのに使われる一般的な反応チューブプレート(34)は、通常四角形の形を有しているのに対して、ランプとレンズで構成された従来の技術の光照射系は円形断面の光速の平面光が発生される。
したがって、図５に示すように、円形断面の光速の平面光は、また四角形の反応チューブプレート(34)の形に合わせ四角形に要らない部分(35)は除去される。このように除去される光(35)は光源ランプから発する光の一部を除去する結果を齎すため、光源の使用効率を落とす要因になる。図５の番号の35は除去された光を示す。
しかし、図６に示すように、本発明の導波管(8)は四角形プレート(34)の縦横の比率に合うよう四角形断面の形(37)で構成されるため、従来の技術のように光の一部が除去されることがないため、ランプの光を最大限効率的に用いることができる。これは、図３(21，24)に示すように、結局、プレートに照射される光の強さを約20％以上を増加させることができ、装置のモニタリングの感度をもっと上昇するようにする。図３の21は本発明のX軸方向の明るさの分布を、24は本発明のY軸方向の明るさの分布を示す。また、22は従来の技術のX軸方向の明るさの分布を、23は従来の技術のY軸方向の明るさの分布を示す。
このように、均一な面光源の形に調整された照射光は第1結象レンズ(10)と選択的透過第1フィルター(9)、第2反射鏡(11)、第1集光レンズ(17)を通じ、プレートに配置された反応チューブ(4)内の試料に照射される。反応チューブ内の核酸試料は前記の温度ブロックによりサイクル毎に増幅され、増幅された試料は前記の照射光により蛍光を発するようになる。
一方、本発明の装置の受光部は前記の第1集光レンズ(17)と第2反射鏡(11)により結象素子の方向に出る；反応チューブ内の(4)試料から発する蛍光(15)を結象させる第2結象レンズ(13)、前記第2結象レンズ(13)により結象された象を記録する受光素子(12)及び選択的第2透過フィルター(14)で構成されている。
試料から発する蛍光(15)は集光レンズ1(17)、反射鏡２(11)及び選択的透過フィルター2(14)を通じ、第2結象レンズ(13)により受光素子(12)に結象されるようになる。結象された各試料の蛍光のイメージはコンピューターに送られ、サイクル毎に変わる反応の程度を分析することができる。また、反応チューブプレート内で多種の生化学的試料を反応させながら各試料に対する反応の進行程度を分析して、各試料に対する比較分析をできるようにした。
前記のように、本発明による生化学的反応のリアルタイムモニタリング装置は、楕円鏡が設置されたランプ(5)と光導波管(8)を用いることにより、広い領域の反応チューブプレート(34)の全領域で均一な強度の光を照射し、反応プレートの全領域から均一な感度で生化学的反応の進行をモニタリングできるようした。
このように、本発明の装備を用いることにより照射される光の強度を均一にし、中心部に配置されたチューブ内の試料の反応進行の程度と、反応チューブプレートの端部に配置されたチューブ内の試料の反応進行をより正確にモニタリングし、多種の試料をひとつの反応チューブプレートで同時に反応させながら比較分析するのに効果的である。
これは、従来の技術による中心部に配置されたチューブ内の試料の反応の進行と端部に配置されたチューブ内の試料の反応の進行程度は同一であるが、測定された蛍光の強度に差があるため、試料に対する反応の程度を比較分析するのに限界があったことを乗り越えるのである。したがって、本発明の生化学的反応のリアルタイムモニタリング装置は、反応チューブプレート内の反応の際、光の検出感度の偏差を最小化し、多種の試料の反応程度を比較分析するに適切な装置を提供することができるようになった。
また、光源から発する光速を四角プレートの縦横の比率に合うよう四角形の形に調整し、従来の技術でのように光の一部を除去することなしにランプの光を最大限効率的に用いて、装置のエネルギー効率をもっと高めることができるようにした。
多種の生物学的試料を反応させながらリアルタイムで反応の程度を測定するための本発明の生化学的反応のリアルタイムモニタリング装置の概略図である。 多種の生物学的試料を反応させながらリアルタイムで反応の程度を測定するための従来の生化学的反応のリアタイムモニタリング装置の概略図である。 本発明の生化学的反応のリアルタイムモニタリング装置の試料反応チューブからの光量の分布に関する図である。ここで図３aはチューブプレートを、図３bはｘ及びｙ軸から光量の分布を示す。 本発明の生化学的反応のリアルタイムモニタリング装置から平面光を作るために構成される光導波管に対する原理図である。ここで図４aは導波の原理図を、図４bは光量の原理図を、図４cは内部全反射の原理図を示す。 従来の技術の生化学的反応のリアルタイムモニタリング装置で平面光を作るために構成される照射系に対する概略図である。 本発明の生化学的反応のリアルタイムモニタリング装置で平面光を作るために構成される照射系に対する概略図である。 本発明の生化学的反応のリアルタイムモニタリング装置で平面光を作るために構成される照射系に対する概略図である。
符号の説明
1：放熱板 2：熱電素子
3：熱伝達ブロック 4：反応チューブ
5：ランプ 6：熱線遮断フィルター
7：反射鏡１ 8：光導波管
9：選択的透過フィルター１ 10：結象レンズ１
11：反射鏡２ 12：受光素子
13：結象レンズ２ 14：選択的透過フィルター２
17：集光レンズ１ 18：反射鏡３
25：入射光 26：出射光
28：光量分 33：集光レンズ２
34：チューブプレート 36：結象レンズ３
38：集光レンズ３ 40：放物鏡を有するランプ
41：楕円鏡を有するランプ

Claims (16)

  1. 反応チューブに熱を供給することができる熱供給源である熱電素子(2)と前記反応チューブに熱を伝えるための熱伝達ブロック(3)からなる温度調節ブロック系、前記反応チューブ内の試料に均一な光を照射するためのランプ(5)と光導波管(8)からなる照射光源部、そして前記照射光源部により照射される光により前記反応チューブ内の試料から発する蛍光を受光するための受光部で構成された光学系を含む、生化学的反応のリアルタイムモニタリング装置。
  2. 前記ランプ(5)が楕円鏡の形の第1反射鏡(40)を含んだランプであることを特徴とする、請求項１記載の生化学的反応のリアルタイムモニタリング装置。
  3. 前記光導波管(8)は媒質の屈折率が1.35から2.0であることを特徴とする、請求項１記載の生化学的反応のリアルタイムモニタリング装置。
  4. 前記光導波管(8)が四角形の形を有する光導波管(8)であることを特徴とする、 請求項１記載の生化学的反応のリアルタイムモニタリング装置。
  5. 前記光導波管(8)が円形の形を有する光導波管(8)であることを特徴とする、 請求項１記載の生化学的反応のリアルタイムモニタリング装置。
  6. 反応チューブに熱を供給することができる熱供給源である熱電素子(2)と試料を含んだ前記反応チューブに熱を伝えるための熱伝達ブロック(3)からなる温度調節ブロック系、前記反応チューブ内の試料に均一な光を照射するためのランプ(41)、集光レンズ3(36)及び光導波管(8)からなる照射光源部、そして前記照射光源部から照射される光により前記反応チューブ内の試料から発する蛍光を受光するための受光部で構成された光学系を含む、生化学的反応のリアルタイムモニタリング装置。
  7. 前記ランプ(41)が放物鏡の形の反射鏡を含んだランプであることを特徴とする、請求項６記載の生化学的反応のリアルタイムモニタリング装置。
  8. 前記光導波管(8)は媒質の屈折率が1.35から2.0であることを特徴とする、 請求項６記載の生化学的反応のリアルタイムモニタリング装置。
  9. 前記光導波管(8)が四角形の形を有する光導波管(8)であることを特徴とする、 請求項６記載の生化学的反応のリアルタイムモニタリング装置。
  10. 前記光導波管(8)は円形の形を有する光導波管(8)であることを特徴とする 請求項６記載の生化学的反応のリアルタイムモニタリング装置。
  11. 反応チューブに熱を供給することができる熱供給源である熱電素子と試料を含んだ前記反応チューブに熱を伝えるための熱伝達ブロックからなる温度調節ブロック系、前記反応チューブ内の試料に均一な光を照射するためのランプ(5)と光導波管(8)からなる照射光源部と光の経路を変える第2反射鏡(11)と前記照射光源部から照射される光により発する蛍光を受光するための受光部で構成された光学系を含む、生化学的反応のリアルタイムモニタリング装置。
  12. 前記光の経路を変える第2反射鏡(11)をせめて2個以上を含んでいることを特徴とする、 請求項11記載の生化学的反応のリアルタイムモニタリング装置。
  13. 前記ランプ(5)が楕円形の形の反射鏡を含んだランプであることを特徴とする、請求項11記載の生化学的反応のリアルタイムモニタリング装置。
  14. 前記光導波管(8)は媒質の屈折率が1.35から2.0であることを特徴とする、請求項11記載の生化学的反応のリアルタイムモニタリング装置。
  15. 前記光導波管(8)が四角形の形を有する光導波管(8)であることを特徴とする、 請求項11記載の生化学的反応のリアルタイムモニタリング装置。
  16. 前記光導波管(8)が円形の形を有する光導波管(8)であることを特徴とする、請求項11記載の生化学的反応のリアルタイムモニタリング装置。
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