JP2008145405A - 生体試料検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】生体試料へのダメージが少ない可視光源を小型化し、必要に応じて広範囲の照射や任意の位置に設置して使用することも可能にする。
【解決手段】通常よりもはるかに大きな発光ダイオードを光源とし、拡散板によって望ましい方向に光を拡散させることで、広範囲の照射も可能とする。さらに、光源ユニットは小型化できるため、スタンドの利用などにより設置する位置、数量、角度などの任意性を高め、さまざまな検出を可能にする。
【選択図】図４

Description

本発明はデオキシリボ核酸（ＤＮＡ）およびタンパク質などの生体分子、および細胞などの生体試料を検出および処理する技術に関する。

生命科学分野での研究において、従来からデオキシリボ核酸（ＤＮＡ）、リボ核酸（ＲＮＡ）、タンパク質といった生体分子、および細胞といった生体試料を検出する実験手法は、必要不可欠なものとなっている。これらの検出対象は非常に微細であり、かつ無色透明であることがほとんどであるため、実際の検出では蛍光物質などを結合させ、これを発光させることによって検出することが一般的である。

このような蛍光検出に利用される蛍光物質は、現在さまざまなものが実用化されており、同一の生体試料に対しても、異なる蛍光色の物質を選択することができるため、例えば異なる生体に由来する生体分子を同一の媒体上で実験し、蛍光色の変化で結果を比較するということも可能である。

蛍光物質を励起するための光源としては、一般的には紫外線を用いることが多い。紫外線のみを透過するフィルタを用いれば、可視光である蛍光を検出する際に光源からの光がバックグラウンドにならないため、高感度な検出が可能になる。

ただし、蛍光物質を励起する際に紫外線を用いる場合には、生体試料にダメージを与える可能性が高いという大きな問題点がある。例えば生体成分を検査などの目的で検出するだけであれば、生体試料がダメージを受けたとしても、とくに問題はない。しかしながら、細胞活動の経時的な変化を観察したり、採取したＤＮＡを遺伝子組み換えに利用するといった目的では、生体試料を検出した後も正常な機能を保持している必要があるため、ダメージを与えることは必ず避けなければならない。

この問題点に関しては、例えばＤＮＡを検出する場合には、紫外線を用いずとも可視光で検出できる蛍光試薬も実用化されている。例えばＳＹＢＲ（登録商標、商標出願２００５−２２７８１）Ｇｒｅｅｎという蛍光色素を用いた場合、青色の光源で励起し、緑色の蛍光シグナルとして検出することができる。また、このような色素に対し、実際に可視光を照射して検出を行う装置の例として、以下の特許文献を挙げることができる。

特開２００５−１８１１４５公報

上記のように、生体試料へのダメージを回避するために可視光を検出光源として用いる方法は既に実用化されているが、全ての課題が解決されているわけではない。例えば光源として蛍光管を用いる場合、設置する位置の選定が難しい。蛍光管には指向性がないため、試料から遠い位置に設置すると、光量のほとんどが試料には供給されず、光量不足に陥ってしまう。逆に、試料に接近させて設置すると、蛍光管は試料と比べて非常に大きい光源であるため、試料の処理を行う際に邪魔な存在となる。蛍光管を試料の背面に配置し、透過光源として利用する方法もあるが、可視光の場合には光源の形状が試料のバックグラウンドとして見えてしまうため、検出光のみをカットする高価なバンドパスフィルタが必要になるなど、結果として大掛かりな装置となってしまう。

一方、検出光源として発光ダイオードを用いる場合、指向性に優れているため、少ない光量であっても効率よく試料を照射することができる。しかしながら、指向性が高いという特徴は、狭い範囲を照射する場合には理想的であるものの、電気泳動ゲルやシャーレなど、比較的広範囲を照射しなければならない試料に対しては不利である。拡散板やレンズを用いて広範囲を照射できるようにしたとしても、光量が不足してしまう。結果的に発光ダイオードを多数配列しなければならず、蛍光管を用いるのと同様の問題が発生することになる。同様に指向性の高い光源であるレーザーを用いる場合には、光密度が瞬間的に極めて大きくなるため、紫外線を用いる場合と同様に、試料へのダメージが大きいという問題が発生してしまう。

上記のように、単純に蛍光管や発光ダイオードを多数配列する方式で発生する問題点を解決し、小型でありながら効率よく広範囲にわたって検出光を照射できる、生体試料検出装置を実現させることが、本発明の目的である。

試料を検出するだけでなく、処理も行いやすいようにするためには、光源はできる限り小型化されていなければならない。光源が小型化されると、光源位置の自由度も大きくなるため、実行したい処理に応じて光源位置を変更したり、光源を必要数だけ追加しやすくなるという利点も生じる。したがって、光源の小型化を実現させるために、光源としては発光ダイオードを用いる。また、課題の中で述べたように、光源を試料の背面に配置すると検出の妨げになりやすいため、設置位置は試料の上方（観察者と同じ側）とすることが好ましい。

発光ダイオードを利用する場合の問題点としては、既に述べたように広範囲を照射することができず、光学的に照射範囲を広げようとすると、光量密度が低下して光量不足に陥ってしまうということである。光源を多数配置せずにこの問題を解決するためには、もともと光量の大きい発光ダイオードを使用すればよい。例えば通常の発光ダイオードの５０倍の光量をもつものであれば、照射範囲を光学的に広げることにより、光源ユニットとしては小型のままで、通常の発光ダイオードを５０個配置したのと同等の効果を得ることができる。このような目的で使用する発光ダイオードとしては、通常の発光ダイオードよりもはるかに大きな光量（５０〜１５００カンデラ程度および／または消費電力１００〜５０００ｍＷ程度）を有しながら、発光部の直径は１０mm以下に抑えられるものが望ましい。このような特性を有する発光ダイオードとしては、多数の発光ダイオード素子が平面状に並列に配列された状態のものを使用することができ、例えばＬｕｘｅｏｎ（商標、Ｌｕｍｉｌｅｄｓ社）シリーズを使用することができる。

上記の発光ダイオードで広範囲の照射を行うためには、拡散板あるいはレンズを用いて光源からの光束を広げることが好ましい。とくに電気泳動ゲルのように平板状の半透明な試料を照射する際には、試料の側面から効率よく励起光を導入することが必要である。このような場合には、使用される拡散板あるいはレンズも光束を等方的に拡散させるのではなく、試料面に平行な方向に拡散させ、試料面に垂直な方向には拡散させないという異方性を有しているとよい。

さらにこのような小型の光源ユニットであれば、簡易的なスタンドを設置しておき、これにねじなどで簡単に位置や角度を選択して取り付けることが可能である。複数の光源ユニットをそれぞれ異なる位置に設置し、角度を調整して試料の同位置を照射できるようにしておけば、より強力な照射を行うことや、異なる波長の光源を同時に照射するといったことも可能になる。また、試料の形状によっては、反射光や散乱光が検出の妨げになることも多いため、試料に応じて光源の位置や角度を変更できれば、それだけ汎用性が高くなる。

また、発光ダイオードを使用する利点として、電流を調整することにより容易に光量をコントロールできるということも挙げられる。したがって、電源ユニットには電流をオンオフするスイッチだけでなく、光量を調整するダイヤルも備えられていることが望ましい。スイッチ機能を併せ持つダイヤル（つまみ）を利用してもよい。いずれにしても、光量を容易に調整できる機構があれば、試料の撮影時と処理時とで必要な光量が異なる場合や、試料の複数箇所に個別に処理を行いたい場合もあるので、非常に便利である。

通常の発光ダイオードよりもはるかに大きな光量を有する発光ダイオードを組み込んだ小型の光源ユニットを作製し、これを上下位置調整可能なスタンドに簡単なねじ留めで設置できるようにすることにより、光源ユニットの数量、位置、角度、波長などを高い自由度で選択および変更できる生体試料検出装置となる。さらに、各光源ユニットも個別に変更できるようにしておくことにより、生体試料の種類や量、撮影や部分採取などの処理の違いなどに応じて、柔軟に対応できる生体試料検出装置を実現させることができる。

以下、具体的な構成例を示し、本発明の生体試料検出装置について詳細な説明を行う。

図１に、本発明の生体試料検出装置に用いる光源ユニットの構成を示す。最も重要な高輝度発光ダイオード部１０１は、発光ダイオード素子が平面状に多数並列に配置されるなどの構造により、通常の発光ダイオードよりもはるかに大きな光量（５０〜１５００カンデラおよび／または消費電力１００〜５０００ｍＷ程度）を放出することができる。高輝度発光ダイオード部１０１の発光色は、生体試料の検出試薬に応じて変更すればよいが、例としては青色（ピーク波長が４５０〜４９５ｎｍの範囲にあるもの）、青緑色（ピーク波長が４９６〜５２０ｎｍの範囲にあるもの）、緑色（ピーク波長が５２１〜５４０ｎｍの範囲にあるもの）といったものを挙げることができる。個々の発光ダイオード素子は非常に小さいため、多数配置されたとしてもそれほど大きな面積を有することにはならず、せいぜい５ｍｍ四方程度である。このような構造では、狭い領域で多量の熱が発生するため、高輝度発光ダイオード部１０１の基板１０２は放熱性の高い材料や構造で形成されるか、あるいは背面に放熱板を取り付けるなどの工夫が必要である。基板１０２には電力供給のための電極線１０３が配線され、電極線１０３は保護および配線をまとめるために電極線カバー１０４の中に収められる。さらに電極線１０３の先端にはコネクタ１０５を接続しておく。光源ユニットは、電極線１０３の先端に接続されたコネクタ１０５を、電源ユニット側のコネクタと連結することにより、電力を供給される。このような構成にしておけば、光源ユニットのみ交換あるいは追加することが容易になるからである。さらに、高輝度発光ダイオード部１０１の保護および集光などの目的により、レンズ１０６が高輝度発光ダイオード部１０１を覆うように取り付けられ、通常は光源部ケース１０７に上記の光源部が収められた形状で提供される。

さらに本発明で重要なのは、光拡散板１０８である。光拡散板１０８の機能は光源からの光を拡散させることであり、広範囲にわたる試料を均一に照射する場合には、等方的に光を拡散するものであればよい。ただし電気泳動ゲルのように平板状の試料を照射する場合には、試料の側面方向から励起光を入射させると効率がよい。例えば図２(a)に示したように光源から放出される等法的な光を、図２(b)のように水平方向など一方向には２００％以上に拡散させるのに対して、それと垂直な方向には１２０％以下に拡散を抑える特性を有する光拡散板を使用すれば、このように拡散させた光を試料の側面から入射させることにより、光源からの光を極めて高効率に利用できることになる。光拡散板１０８は光源部ケース１０７の表面に直接取り付けてもよいが、発光ダイオードの製造者から提供される形状によっては不可能である場合もあるため、光源ユニットケース１０９の中に光源部と光拡散板１０８を収納し、光源ユニットケース１０９に開口部１１０を形成して完成させてもよい。いずれにせよ、前記の極めて高い輝度を有する発光ダイオードを光源とすることにより、これを内包する光源ユニットの容積は５０立方センチメートル以下程度に抑えることが可能である。

図３は、図１に示した光源ユニットを正面から見た図である。高輝度発光ダイオードユニット３０１は光源ユニットケース３０２に収納され、開口部３０３を通して励起光を供給する。前述したように、励起光を異方的に拡散させる場合には、開口部３０３の形状も水平方向に長いスリット状であるなど、異方的に形成する方がよい。開口部３０３の表面あるいは内面には光拡散板３０４が必要に応じて取り付けられる。場合によってはこの位置に、光源からの不要な波長成分を除去するための光学フィルタを取り付けること、あるいはこれらを共に取り付けることもありうる。光源ユニットケース３０２の側面にはタップ穴３０５が設けられており、光源ユニット固定ねじ３０６によって、スタンドなどに光源ユニットを固定することができる。光源ユニット固定ねじ３０６はドライバーで絞める必要のあるものではなく、指でつまみながら回すことで容易に固定状態を調整できるものがよい。

図４に、本発明の生体試料検出装置の概観を示す。土台となるプレート４０１は、反射光などが検出の妨げにならないように、光沢のない黒色の素材で形成されているのが好ましく、生体試料を扱う観点から耐薬品性にも優れた黒アルマイト加工を施したアルミニウムなどを使用する。プレート４０１にはスタンド４０２をねじ４０３で固定するためのタップ穴４０４が複数開けられており、スタンド４０２の位置および数量は容易に変更することができる。スタンド４０２には垂直方向に長穴４０５が開けられており、光源ユニット４０６は、この長穴４０５を通して光源ユニット固定ねじ４０７によってスタンド４０２に固定される。光源ユニット４０６の構造は、図１および図３で説明した通りである。光源ユニット固定ねじ４０７は頻繁に調整すると考えられるため、つまみ部分は大きい方がよく、長さ６ｍｍ以上、直径４ｍｍ以上であることが好ましい。このような構成であれば、光源ユニット４０６の高さおよび角度を任意に調整して固定することができるだけでなく、スタンド４０２一組に対して、垂直方向に複数の光源ユニット４０２を重ねて固定することも可能である。水平方向の位置もスタンド４０２の位置を変更すれば、高い自由度で変更可能である。スタンド４０２を多数固定すれば、光源ユニット４０６をさまざまな位置に同時に固定し、同一波長の励起光を試料に集中的に照射したり、異なる波長の励起光を同時に照射することも可能になる。

図４のような構成にすることにより、光源ユニット４０６の数量、垂直位置、水平位置、角度を高い自由度で調整することが可能な生体試料検出装置となる。なお、光源ユニットの固定方法はねじに限らず、回転調整が可能な関節構造のようなものであってもよい。例としては、任意の角度で固定が可能なトルク蝶番に光源ユニットを取り付け、トルク蝶番の位置を上下にスライドさせるスタンドを利用するような場合である。

図１を用いて既に説明したように、光源ユニット４０６には電力を供給するための光源ユニットケーブル４０８が配線されており、さらにその先端には光源側コネクタ４０９が取り付けられている。これに対して、プレート側コネクタ４１０がプレート４０１に設置されており、プレート側コネクタ４１０に配線された電源ケーブル４１１を通じて、電源ユニット４１３から電力が供給される。光源側コネクタ４０９と本体側コネクタ４１０を接続することにより、光源ユニット４０６への電力供給が可能になる。このような構成にすることにより、コネクタを外すだけで光源ユニット４０６を交換することが可能になる。本体側コネクタ４１０は必ずしも一つのみであるとは限らず、電源ケーブル４１１に対して複数取り付けてもよい。同一の電源ケーブルに接続された複数の光源ユニットは独立に制御することはできないが、同じ波長の光源を増設して光量を高めるような目的には便利である。プレート４０１の背面には、ケーブルカバー４１２が四隅に取り付けられており、電源ケーブル４１１を容易に挟んで収納することができる。ケーブルカバー４１２はコの字型の断面を有し、開放された一端の開放幅は電源ケーブル４１１の太さよりも狭くすることにより、一旦電源ケーブルを挟めば、容易には外れないようになっている。本発明の生体試料検出装置は暗室で利用されることが多いと考えられるため、ケーブルを収納しておくことで手などを引っ掛ける危険を回避できる。また、ケーブルカバー４１２を滑りにくいゴムなどの材質で形成するか、そのような材質の断片を貼り付けることにより、滑り止めの役割を持たせることも可能である。

電源ユニット４１３の内部には発光ダイオードを点灯させるための電源回路基板が収納されており、表面には光量調整つまみ４１４と電源スイッチ４１５が設置されている。光量調整つまみ４１４を回すことにより、光源ユニット４０６から放出される光量を調整することができる。なお、光量調整つまみ４１４をゼロ点まで回転させることにより電力の供給を完全に停止させることができる場合には、電源スイッチ４１５は必要でないこともある。電源ユニット４１３には、コンセントから電源コードを通じて電力を供給するか、あるいは直流変換アダプタを介して電力を供給してもよい。

また、生体試料を検出する際には、カメラで試料を撮影し、画像データを残す必要性があることも多い。したがって図５のように、本発明の生体試料検出装置のプレート５０１には、光源ユニット５０２を設置するスタンドだけではなく、カメラスタンド５０３も必要に応じて固定できるようにしておく。例えばカメラスタンド５０３をねじ５０４で簡単に取り付けられるように、カメラスタンドホルダー５０５を用意し、やはりプレート５０１にねじなどで取り付けられるようにしておく。カメラスタンド５０３は関節構造を有し、それぞれ調整ダイヤル５０６によって任意の角度で固定できるようになっている。カメラスタンド５０３の先端にはカメラ設置プレート５０７が取り付けられており、カメラ固定ねじ５０８によってカメラ５０９を固定する。カメラスタンドの関節構造と、スタンドホルダー５０５を取り付けられる位置の自由度が高いことから、カメラを設置する位置も任意に選択することができる。

さらに、生体試料に可視光を検出光として照射し、生体試料からのシグナル光も可視光である場合には、通常シグナル光を肉眼で観察したり、カメラなどで撮影することは困難である。撮影の場合には、一般的にはシグナル光を選択的に透過させるフィルタをレンズに取り付けて実行するが、電気泳動ゲル中の特定のバンドを分取したい場合などには不便である。このような操作は両手を使用する必要がある場合が多いので、フィルタも眼鏡などの形態で手を使用せずに利用できるものが望ましい。さらにこのような操作では、非常に微小な試料あるいは試料部位を処理することも多いため、必要に応じて拡大レンズを併用できることが好ましい。

そこで図６に示すようなキャップ構造が便利である。ひさし部６０１はフレーム６０２を周囲に有しており、外光が試料の観察の妨げとなることを防ぐ。フレーム６０２の前方にはホルダー構造６０３が形成されており、フィルタ６０４と拡大レンズ６０５を取り付け保持することが可能である。なお、フィルタ６０４はほぼ必須となるため、必ずしも着脱可能になっていなくともよい。また、フィルタ６０４の特性は、生体試料の検出光を９０％以上吸収し、生体試料および／または生体試料に付加された検出物質からの発光を８０％以上透過させるものが好ましく、生体試料の性質に応じて交換できる。拡大レンズ６０５の拡大率は１．５〜３倍程度でよいが、この限りではない。ひさし部６０１の後方にはバンド６０６が取り付けられており、マジックテープ（登録商標）やボタンなどの一時接着材６０７により、観察者の頭部のサイズに応じて調整できるようになっている。このような生体試料検出器具を併用することにより、本発明の生体試料検出装置の利便性は飛躍的に向上する。

本発明の生体試料検出装置は、プレート上に設置した生体試料に数量、位置、波長など高い自由度で光源系を選択して照射することが可能であるため、生命科学の基礎研究分野のみならず、臨床検査、成分検査、物体の撮影、物体の露光、情報およびコードの検出などに利用できる可能性がある。

本発明の生体試料検出装置の光源ユニットの一例を示す図 本発明の生体試料検出装置の光源ユニットの一例の特性を示す図 本発明の生体試料検出装置の光源ユニットの一例を示す図 本発明の生体試料検出装置の一例を示す図 本発明の生体試料検出装置の一例を示す図 本発明の生体試料検出器具の一例を示す図

符号の説明

１０１ 高輝度発光ダイオード部
１０２ 基板
１０３ 電極線
１０４ 電極線カバー
１０５ コネクタ
１０６ レンズ
１０７ 光源部ケース
１０８ 光拡散板
１０９ 光源ユニットケース
１１０ 開口部
３０１ 高輝度発光ダイオードユニット
３０２ 光源ユニットケース
３０３ 開口部
３０４ 光拡散板
３０５ タップ穴
３０６ 光源ユニット固定ねじ
４０１ プレート
４０２ スタンド
４０３ ねじ
４０４ タップ穴
４０５ 長穴
４０６ 光源ユニット
４０７ 光源ユニット固定ねじ
４０８ 光源ユニットケーブル
４０９ 光源側コネクタ
４１０ プレート側コネクタ
４１１ 電源ケーブル
４１２ ケーブルカバー
４１３ 電源ユニット
４１４ 光量調整つまみ
４１５ 電源スイッチ
５０１ プレート
５０２ 光源ユニット
５０３ カメラスタンド
５０４ ねじ
５０５ カメラスタンドホルダー
５０６ 調整ダイヤル
５０７ カメラ設置プレート
５０８ カメラ固定ねじ
５０９ カメラ
６０１ ひさし部
６０２ フレーム
６０３ ホルダー構造
６０４ フィルタ
６０５ 拡大レンズ
６０６ バンド
６０７ 一時接着剤

Claims (10)

1. 光源として光量が５０〜１５００カンデラ及び／または消費電力１００〜５０００ｍＷの高輝度発光ダイオードを使用する生体試料検出装置。
2. 前記高輝度発光ダイオードを内包する光源ユニットの容積が５０立方センチメートル以下であることを特徴とする請求項１記載の生体試料検出装置。
3. 前記光源ユニットは拡散板を有し、当該拡散板は光源から放出された光を、一方向には２００％以上に拡散させ、当該方向と垂直な方向には１２０％以下に拡散を抑える機能を有している請求項２〜３記載の生体試料検出装置。
4. 前記光源ユニットから引き出された電極線の先端にコネクタを有し、電源ユニット側のコネクタと連結することによって、光源ユニットが電力を供給される構造を有する請求項１〜３記載の生体試料検出装置。
5. 試料を設置するプレートに、前記光源ユニットを取り付けるスタンドを固定するためのねじ穴を多数設けることにより、当該スタンドを固定する位置および数量を選択できる請求項１〜４記載の生体試料検出装置
   。
6. 前記スタンドに設けられた穴を利用して前記光源ユニットをねじで固定できることを特徴とする請求項５記載の生体試料検出装置。
7. 前記穴は複数設けられている、及び／又は、鉛直方向に長く形成されていることにより、前記光源ユニットを固定する高さおよび角度を変更できることを特徴とする請求項６記載の生体試料検出装置。
8. 前記光源に供給される電力を変化させることにより、光源の光量を変更できる請求項１〜７記載の生体試料検出装置。
9. 前記試料を設置するプレートに、カメラスタンドを取り付けることが可能である請求項５〜８記載の生体試料検出装置。
10. 生体試料の検出光を９０％以上吸収し、生体試料および／または生体試料に付加された検出物質からの発光を８０％以上透過させるフィルタを少なくとも観察者の目を覆う部位に有し、かつ試料を観察するための拡大レンズを必要に応じて着脱できる機構を有する生体試料検出器具。

Images