JP2007212170A - 蛍光検出装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 試料スポットの微細化に対応して蛍光検出のスキャンを高速に且つ高精度に行うことの出来る蛍光検出装置を提供する。
【解決手段】 検査チップに励起光を集束させるとともに前記蛍光を受光する対物レンズ16と、該対物レンズ16をフォーカス方向と該フォーカス方向と交差するX方向およびY方向の3軸方向へ変位させるレンズアクチュエータ30とを備えた蛍光検出装置である。そして、レンズアクチュエータ30は、前記対物レンズを保持するレンズホルダ31と、レンズホルダ31の上下四隅をそれぞれ支持する8本の線状バネ32…と、レンズホルダ31の側面に設けられた電磁コイル35,36…と、レンズホルダ31の側面と対向配置された磁石38とを備え、前記8本の線状バネ32…の各々は、機枠に固定される部位と前記レンズホルダ31に固着される部位との間で一部が曲げられた形状をしている構成とした。
【選択図】 図3

Description

この発明は、試料が付着された検査チップに励起光を照射して蛍光を検出することで試料の検査を行う蛍光検出装置に関する。
以前より、チップ上に試薬と反応させたDNA(デオキシリボ核酸)をスポットし、このDNAに励起光を照射して蛍光を検出することで、DNAの検査を行う蛍光検出装置がある。このようなDNA検査によれば、癌など遺伝子に起因すると考えられる病気の検査に威力を発揮すると考えられている。
従来の一般的なDNAスキャナでは、DNAチップに多数のDNAをスポットし、各スポットを順次スキャンしながら全てのDNAについて検査を行う。走査方式としては、励起光をガルバノミラーでX方向に走査し、DNAチップをステージのY方向に移動させることで、二次元の走査を行う方式を適用するのが一般的であった。
また、本願発明に関連する従来技術として、次のようなものがあった。例えば、特許文献1には、走査型顕微鏡においてボイスコイルを用いて被測定物を移動させる技術が開示されている。特許文献2には、手術用顕微鏡において鏡体を3次元的に移動可能にした発明が開示されている。特許文献3には、原子間力顕微鏡においてプローブの上方に光学顕微鏡の対物レンズは配置してその走査位置を光学顕微鏡で確認できるようにした発明が開示されている。特許文献4には、3次元に移動可能に設けた光プローブにより被測定物の外形を測定することのできる3次元形状測定機について開示されている。特許文献5には、コンフォーカル顕微鏡において対物レンズの移動距離をエンコーダを用いて検出する構成が開示されている。
特表2003−507777号公報 特開平08−131457号公報 特開平08−226928号公報 特開2001−324311号公報 特開平10−104523号公報
上述のようにガルバノミラーとステージ移動によりスキャンを行う従来のDNAスキャナでは、走査速度が遅く多数の検体を測定するのにとても時間がかかるという課題があった。
また、近年では、検査チップにDNAをスポットする技術の微細化が進み、検査チップの非常に小さな領域に多数のDNAをスポットすることが可能になっている。しかしながら、上記従来のDNAスキャナで測定を行う場合、小さな領域に多数のDNAをスポットできたとしても、直ちに測定時間が短縮されることもなく、また、微細スポットに対応して走査精度をより高める必要があることからかえって測定時間に悪影響を及ぼすと考えられた。
この発明の目的は、試料スポットの微細化に対応して蛍光検出のスキャンを高速に且つ高精度に行うことの出来る蛍光検出装置を提供することにある。
本発明は、上記目的を達成するため、試料が付着された検査チップに励起光を集束させ、そこから発光される蛍光を検出することで試料の検査を行う蛍光検出装置であって、前記検査チップに励起光を集束させるとともに前記蛍光を受光する対物レンズと、該対物レンズをフォーカス方向と該フォーカス方向と交差するX方向およびY方向の3軸方向へ変位させるレンズアクチュエータとを備え、前記レンズアクチュエータは、前記対物レンズを保持するレンズホルダと、該レンズホルダを上下の各四方からそれぞれ支持する8本の線状バネと、前記レンズホルダの側面に設けられた電磁コイルと、前記レンズホルダの周囲で前記電磁コイルと対向配置された磁石とを備え、前記8本の線状バネの各々は、機枠に固定される側と前記レンズホルダに固着される側との間で一部が曲げられた形状をしている構成とした。
具体的には、前記8本の線状バネの各々は、途中でほぼ直角に曲げられた形状に構成すると良い。また、前記8本の線状バネは、それぞれを同一形状とし、さらに、上側4本と下側4本とが互いに平行に配置し、上下の各4本ずつが前記X方向および前記Y方向にそれぞれ対称的に配置すると良い。
このように構成することで、対物レンズをフォーカス方向とX−Y方向の3軸方向に電磁力により変位させることが可能となる。そして、これらにより、微小な領域に多数の試料がスポットされた検査チップを対象に、これら多数のスポットを高速に走査して測定を行うことが可能となる。
望ましくは、前記レンズホルダの前記X方向と前記Y方向の変位量を検出するリニアエンコーダを備えると良い。具体的には、前記リニアエンコーダは、前記レンズホルダの側面に前記X方向と前記Y方向とにそれぞれ沿って固着された2つのスケールと、これらスケールに対向するように固定された2つの反射型光センサとから構成することが出来る。
このような構成により、対物レンズの変位量をフィードバックさせることで、X−Y方向の走査を高精度に行うことが可能となる。
以上説明したように、本発明に従うと、微小領域に多数の試料がスポットされている検査チップに対応して、蛍光検出のスキャンを高速に且つ高精度に行うことが出来るという効果がある。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1は、本発明の実施の形態の蛍光検出装置100の光学構成を示した斜視図である。図2は、この蛍光検出装置100で測定対象となるDNAがスポットされたDNAチップの一部分を示す平面図である。
この実施の形態の蛍光検出装置100は、試薬と反応させたDNAに励起光を照射してそこから発生する蛍光を測定することで、検体であるDNAが正常なものか或いは癌化等の異常なものかを判別する装置である。また、この蛍光検出装置100は、第1波長(例えば532nm)と第2波長(例えば658nm)との2波長の励起光を別々に用いて、各励起光により発生される2波長(例えば570nmと670nm)の蛍光検出が可能なものである。
検体であるDNAは、図2に示すように、検査チップとしてのスライドガラス3に縦横複数に配列されて形成された各スポットP…内に投入されている。各スポットP…は、例えば、直径が100μm程度の大きさであり、1mm×1mm程度の微小領域に8個×8個程度のスポットP…が形成されている。
この蛍光検出装置100の光学系は、図1に示すように、第1波長の励起光を出力する第1発光器11と、第1発光器11の出射光を平行光にするコリメータレンズ12と、第1発光器11の出射光から第1波長以外の光を除去するエキサイタフィルタ13と、第1波長帯域の光を反射させ第2波長帯域の光を透過させるフィルタミラー14と、光の波長帯に応じて励起光を反射して立上げるとともに蛍光を透過させるダイクロイックミラー15と、励起光をスライドガラス3の各スポットPへ集束させるとともに蛍光の受光を行う対物レンズ16と、ダイクロイックミラー15を透過した光から蛍光波長以外を除去する2枚のエミッタフィルタ17A,17Bと、これらの何れかを光軸上に配置させるアクチュエータ18と、蛍光の光量検出を行う光センサとしてのフォトマルチプライア20と、第2波長の励起光を出力する第2発光器21と、進行波と反射波とを分離する偏光ビームスプリッタ22および1/4波長板24と、第2発光器21の出射光を平行光にするコリメータレンズ23と、偏光ビームスプリッタ22で分離された反射光を受光して励起光の焦点位置の変位量を検出するフォーカス誤差検出ユニット25等を備えている。
また、この蛍光検出装置100には、スライドガラス3を一定箇所に載置するステージ(図示略)や、対物レンズ16を上下(Z方向)・左右(X方向)・前後(Y方向)の3軸方向に電気的に駆動するレンズ駆動装置30が設けられている。このレンズ駆動装置30のZ方向の駆動により励起光のフォーカスの調整が行われ、左右前後(X−Y方向)の駆動により測定点の走査が行われるようになっている。
上記の第1発光器は例えばLED(発光ダイオード)であり、第2発光器21は例えばレーザーダイオードである。
フォーカス誤差検出ユニット25には、内部にフォーカス誤差検出用の光学部品25Aと光センサ25Bとが組み込まれており、スライドガラス3からのレーザ光の反射ビームをこれらで受光することにより、励起光のフォーカスのズレが検出されるようになっている。フォーカス誤差の検出方式としては、共焦点法、ダブルナイフエッジ法、非点収差法などを適用することが出来る。
図3には、レンズ駆動装置30の詳細な斜視図を、図4にはその平面図を示す。
レンズ駆動装置30は、対物レンズ16を保持する直方体形状のレンズホルダ31と、このレンズホルダ31を上下四方から可動な状態に支持する8本のワイヤ32…と、ワイヤ32…の基部でワイヤ32…の振動を緩衝するゲル材が注入されたゲルボックス33…と、レンズホルダ31の全側面に沿って横方向に巻回される第1コイル35と、レンズホルダ31の側面に固着された偏平型の第2コイル36,36…と、これらレンズホルダ31の4つの側面にそれぞれ対向配置される4つの磁石38…と、レンズホルダ31の隣接する2つの側面の上部に貼着されたスケールテープ41,41と、これらスケールテープ41,41に対向する位置で機枠に固定される反射型光センサ42,42等を備えている。
レンズホルダ31は、その中央に上下に貫通した導光孔が形成され、この導光孔の上部に対物レンズ16が嵌合されている。
8本のワイヤ32…は、弾性を有する金属製の線状バネであり、図4にも示すように、一端がゲルボックス33…を介して機枠に固着され、他端がレンズホルダ31に固着されている。そして、機枠に固着される側ではX方向に沿って伸び、途中でほぼ直角に曲がってレンズホルダ31に固着される側ではY方向に沿って伸びる形状にされている。また、8本のワイヤ32…は、上側4本と下側4本とがほぼ平行に配置され、また、上側4本および下側4本は、左右と前後にそれぞれ対称的な配置で固着されている。
このようなワイヤ32…によれば、各ワイヤ32の機枠側から折曲部までの範囲が横方向にしなることでレンズホルダ31がY方向に変位し、折曲部からレンズホルダ31側の固着部までの範囲が横方向にしなることでレンズホルダ31がX方向に変位するようになっている。また、ワイヤ32…の全体が上下方向にしなることでレンズホルダ31がZ方向に変位する。
このような形状のワイヤ32は、例えば、薄い金属板をエッチングして形成することが出来る。例えば、隣接する2本のワイヤを1本につなげてコの字形状に形成し、それをレンズホルダ31の側面或いは上面の縁部や下面の縁部に固着させて構成することも出来る。この場合、各ワイヤ32…の間に電磁コイルを接続するため各ワイヤを絶縁する必要がある場合には、コの字形状のワイヤ32,32をレンズホルダ31に固着した後、その中央部分を切断することで、各ワイヤを絶縁させて、その間に電磁コイルを接続させることが出来る。
なお、ワイヤ32…の形状は様々な変更が可能である。例えば、途中で直角に曲げられた形状でなく、なだらかに90度曲がる形状としたり、或いは、折曲げ角度も90度でなく、30度や60度の折り曲げを組み合わせたり、1本のワイヤ32を2箇所以上で折り曲げた形状としても良い。また、各ワイヤ32の向きや配置についても、上下、左右、前後に対称的なものとせず、例えば、卍形のようにレンズホルダ31を中心に回転対称な向きで配置しても良いし、或いは、全く非対称の向きに配置しても良い。このような種々の形状、向きおよび配置によっても、レンズホルダ31を3軸方向に変位させることが可能である。
スケールテープ41,41と反射型光センサ42は、レンズホルダ31のX−Y方向の変位量を検出するためのリニアエンコーダ装置である。スケールテープ41には、横方向に微小な目盛が刻まれており、この目盛を反射型光センサ42により読み取って変位量を検出する。また、このスケールテープ41の目盛には左右で反射光の位相を変化させる機能を有し、これにより変位量だけでなく変位方向も検出できるようになっている。
レンズホルダ31に対して3軸方向に駆動力を与える電磁コイル35,36…と磁石38…の磁化の態様は、次のごとくである。すなわち、電磁コイルは、図3に示すように、レンズホルダ31の側面周囲を横方向に巻回してなる電磁コイル35と、レンズホルダ31の各側面にそれぞれ左右2個配置された偏平型の電磁コイル36,36とから構成される。
また、磁石38…は、レンズホルダ31に対向する面において、下側1/3の範囲がN極に、上側2/3の範囲が左右でN極とS極とに分かれた磁化態様となっている。そして、このように磁化された磁石38がレンズホルダ31の一側面に固着された2つの電磁コイル36に、それぞれ半分ずつ重なるように対向配置されている。
このような態様によれば、レンズホルダ31の側面周囲を横方向に巻回された電磁コイル35と、磁石38の下側1/3のN極の部分との電磁作用によりZ方向に駆動力を与えることが出来る。また、レンズホルダ31のY方向に沿った2側面に固着された2個×2組の偏平コイル36…と、それらに対向配置された磁石38,38の上側2/3の範囲との電磁作用によりY方向に駆動力を与えることが出来る。また、レンズホルダ31のX方向に沿った2側面に固着された2個×2組の偏平コイル36…と、それらに対向配置された磁石38,38の上側2/3の範囲との電磁作用によりX方向に駆動力を与えることが出来る。
これら電磁コイル35,36…は8本のワイヤ32…にそれぞれ接続され、これら8本のワイヤ32…を介して3軸の各方向に駆動力を及ぼす電磁コイルごとにそれぞれ独立して電流を流すことが可能になっている。
なお、レンズホルダ31に対して3軸方向に駆動力を与える電磁コイル35,36…と磁石38…の磁化の態様は、様々なバリエーションが適用可能である。
図5と図6には、電磁コイルと磁石の磁化態様のバリエーション例を説明する斜視図を示す。これらの図においては、磁石の磁化の態様を分かりやすくするために、磁石38…とレンズホルダ31とを実際のものよりも離した状態で描いている。
図5の例では、電磁コイルは、レンズホルダ31の全側面に沿って横方向に巻回された電磁コイル35と、レンズホルダ31の各側面においてそれぞれ片側に寄せて配置された1個×4面分の偏平型の電磁コイル36…とから構成されている。
磁石38…は、レンズホルダ31に対向する面において、右側1/4の範囲がS極に左側3/4の範囲がN極に分かれた磁化態様にされている。そして、このN極とS極との境界線がレンズホルダ31の一側面に固着された1つの電磁コイル36の中央線に重なるように対向配置されている。
このような態様によれば、レンズホルダ31の側面周囲を横方向に巻回された電磁コイル35と、磁石38のN極の部分との電磁作用によりZ方向に駆動力を与えることが出来る。また、レンズホルダ31のY方向に沿った2側面に固着された1個×2面分の偏平コイル36,36と、それらに対向配置された磁石38,38の片側1/2範囲のS極N極の部分との電磁作用によりY方向に駆動力を与えることが出来る。また、レンズホルダ31のX方向に沿った2側面に固着された1個×2面分の偏平コイル36,36と、それらに対向配置された磁石38,38の片側1/2範囲のS極N極の部分との電磁作用によりX方向に駆動力を与えることが出来る。
また、図6の例では、電磁コイルは、レンズホルダ31の各側面にそれぞれ3個ずつ固着された偏平型の電磁コイル37a…,37b…により構成されている。各側面の3個の偏平コイル37a,37b,37bは、1個を中央上部に、2個を下側左右に配置する。
磁石38…は、レンズホルダ31に対向する面において、左右上下に4分割され交互にS極とN極とが来るように磁化させている。そして、左右の磁極の境界線が中央の偏平コイル37aの縦方向の中央線と重なるように、上下の磁極の境界線が下側2個の偏平コイル37b,37bの横方向の中央線と重なるように対向配置されている。
このような態様によれば、レンズホルダ31の各側面の下側に配置された電磁コイル37b…とそれに対向配置された磁石のN極S極の部分との電磁作用により、Z方向に駆動力を与えることができる。また、レンズホルダ31のX方向を沿った2側面の上側に固着された1個×2面分の偏平コイル37a,37aと、それらに対向配置された磁石38,38のN極S極の部分との電磁作用によりX方向に駆動力を与えることが出来る。また、レンズホルダ31のY方向に沿った2側面に固着された1個×2面分の偏平コイル37a,37aと、それらに対向配置された磁石38,38のN極S極の部分との電磁作用によりY方向に駆動力を与えることが出来る。
図7には、磁石38からの磁力線を効率よく電磁コイルに及ぼすようにした構成例の断面図を示す。
その他、図7に示すように、レンズホルダ31の側面の内側に空洞部分を設け、そこに磁石38の磁力線を吸収するヨーク38b,38bを挿入するようにしても良い。これにより、磁石38の磁力線を効率よく電磁コイルに及ぼして、小さな電流で大きな駆動力を得るようにすることが出来る。
以上のように構成された蛍光検出装置100によれば、スライドガラス3をステージに載置した後、先ず、第2発光器21からレーザ光を照射させた状態で、レンズ駆動装置30により対物レンズ16をZ方向に駆動してその焦点をスライドガラス3のスポット面に合わせる。この焦点の合わせは、検出ユニット25からの信号に基づいて制御回路により自動的に行われる。
焦点が合ったら、検出ユニット25からの信号に基づき焦点がずれないように制御をかけながら、レンズ駆動装置30により対物レンズ16をX方向とY方向とに移動させ、励起光をスライドガラス3のDNAスポットP…に順次合わせて蛍光測定を行っていく。ここで、変位量はリニアエンコーダ装置の出力に基づいて制御される。
そして、励起光が各DNAスポットP…に走査されていく過程で、検体のDNAが特定の蛍光標識と結合されていれば励起光により蛍光が発っせられ、この蛍光がダイクロイックミラー15とエミッタフィルタ17A(又は17B)を透過してフォトマルチプライア20で検出される。そして、この検出により検体のDNAが正常か異常かなどの種々の判定を行うことが出来る。
このように励起光の走査を、レンズ駆動装置30により対物レンズ16をX方向とY方向とに移動させて行うことで、DNAスポットPの微細化に対応して、蛍光検出測定を高速に且つ高精度に実現することが出来る。
なお、本発明は、上記実施の形態に限られるものではなく、様々な変更が可能である。例えば、上記実施の形態では、リニアエンコーダをレンズホルダの上部に配置しているが、下方や中央部に配置することもできる。また、レンズホルダの底面側に配置しても良い。また、電磁コイルや磁石の磁化の態様も図3,図5,図6のものは一例に過ぎず様々な態様が可能である。
その他、この実施の形態で具体的に示した光学構成、測定対象や測定手順などは、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
本発明の実施の形態の蛍光検出装置の光学系の構成を示す斜視図である。 測定対象となるDNAチップの一例を示す平面図である。 レンズ駆動装置の詳細を示す斜視図である。 図3のレンズ駆動装置の平面図である。 レンズ駆動装置の電磁コイルと磁石の磁化態様の第1のバリエーションを示す斜視図である。 レンズ駆動装置の電磁コイルと磁石の磁化態様の第2のバリエーションを示す斜視図である。 レンズ駆動装置の磁石の磁力線を効率よく電磁コイルに及ぼすようにした構成例を示す断面図である。
符号の説明
3 スライドガラス
11 第1発光器
12 コリメータレンズ
13 エクサイタフィルタ
14 フィルタミラー
15 ダイクロイックミラー
16 対物レンズ
17A,17B エミッタフィルタ
18 アクチュエータ
20 フォトマルチプライア
21 第2発光器
22 偏光ビームスプリッタ
23 コリメータレンズ
24 1/4波長板
25 フォーカス誤差検出ユニット
25A フォーカス誤差検出用の光学部品
25B フォーカス誤差検出用の光センサ
30 レンズ駆動装置
31 レンズホルダ
32 ワイヤ
33 ゲルボックス
35 電磁コイル
36,37a,37b 偏平型の電磁コイル
38 磁石
41 スケールテープ
42 反射型光センサ
100 蛍光検出装置

Claims (8)

  1. 試料が付着された検査チップに励起光を集束させ、そこから発光される蛍光を検出することで試料の検査を行う蛍光検出装置であって、
    前記検査チップに励起光を集束させるとともに前記蛍光を受光する対物レンズと、
    該対物レンズをフォーカス方向と該フォーカス方向と交差するX方向およびY方向の3軸方向へ変位させるレンズアクチュエータとを備え、
    前記レンズアクチュエータは、
    前記対物レンズを保持するレンズホルダと、
    該レンズホルダの上下四隅をそれぞれ支持する8本の線状バネと、
    前記レンズホルダの側面に設けられた電磁コイルと、
    前記レンズホルダの周囲で前記電磁コイルと対向配置された磁石と、
    前記レンズホルダの前記X方向と前記Y方向の変位量を検出するリニアエンコーダと、
    を備え、
    前記8本の線状バネの各々は、機枠に固定される側と前記レンズホルダに固着される側との間で一部がほぼ直角に曲げられた形状をしており、それぞれが同一形状で、上側4本と下側4本とが互いに平行に配置され、上下の各4本ずつが前記X方向および前記Y方向にそれぞれ対称的に配置されていることを特徴とする蛍光検出装置。
  2. 試料が付着された検査チップに励起光を集束させ、そこから発光される蛍光を検出することで試料の検査を行う蛍光検出装置であって、
    前記検査チップに励起光を集束させるとともに前記蛍光を受光する対物レンズと、
    該対物レンズをフォーカス方向と該フォーカス方向と交差するX方向およびY方向の3軸方向へ変位させるレンズアクチュエータとを備え、
    前記レンズアクチュエータは、
    前記対物レンズを保持するレンズホルダと、
    該レンズホルダの上下各四方をそれぞれ支持する8本の線状バネと、
    前記レンズホルダの側面に設けられた電磁コイルと、
    前記レンズホルダの周囲で前記電磁コイルと対向配置された磁石と、
    を備え、
    前記8本の線状バネの各々は、機枠に固定される側と前記レンズホルダに固着される側との間で一部が曲げられた形状をしていることを特徴とする蛍光検出装置。
  3. 前記8本の線状バネの各々は、途中でほぼ直角に曲げられた形状をしていることを特徴とする請求項2記載の蛍光検出装置。
  4. 前記8本の線状バネは、上側4本と下側4本とが互いに平行に配置されていることを特徴とする請求項2又は3に記載の蛍光検出装置。
  5. 前記8本の線状バネは、それぞれ同一形状であり、上下の各4本ずつが前記X方向および前記Y方向にそれぞれ対称的に配置されていることを特徴とする請求項2又は3に記載の蛍光検出装置。
  6. 前記レンズホルダの前記X方向と前記Y方向の変位量を検出するリニアエンコーダを備えたことを特徴とする請求項2〜5の何れかに記載の蛍光検出装置。
  7. 前記リニアエンコーダは、
    前記レンズホルダの側面に前記X方向と前記Y方向とにそれぞれ沿って固着された2つのスケールと、
    これらスケールに対向するように固定された2つの反射型光センサと、
    から構成されることを特徴とする請求項6記載の蛍光検出装置。
  8. 前記8本の線状バネは金属であり、これらの線状バネを介して前記電磁コイルに電流が流されるように構成されていることを特徴とする請求項2〜7の何れかに記載の蛍光検出装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2020034487A (ja) * 2018-08-31 2020-03-05 株式会社モリタ製作所 三次元計測システム、三次元計測装置および、制御プログラム
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KR102671821B1 (ko) * 2021-11-26 2024-05-31 부산대학교 산학협력단 시료의 수평방향으로 대물렌즈 움직임이 가능한 라만 프로브

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