JP2008281458A

JP2008281458A - マイクロアレイ測定装置

Info

Publication number: JP2008281458A
Application number: JP2007126287A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Sato; 勇一佐藤; Seiji Onishi; 誠司大西
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-05-11
Filing date: 2007-05-11
Publication date: 2008-11-20

Abstract

【課題】マイクロアレイ状に高密度に配置された試料から発せられる光を分析する際に誤差要因となる像面湾曲による光の干渉を抑制したマイクロアレイ測定装置を提供する。
【解決手段】マイクロアレイ状に複数の試料が配置された試料部１と、試料部１から発せられる各々の光束を所定の位置に集光する集光レンズ部１５と、集光レンズ部１５にて集光された各々の光束を導光する複数のライトガイド１９が形成された光導光手段１６と、光導光手段１６を通過した光束を結像させる結像レンズ系１１と、結像レンズ系１１にて結像された光束を受光する受光部４と、受光部４に到達した光束を電気信号に変換して分析を行う制御部６とを備えたマイクロアレイ測定装置において、結像レンズ系１１の瞳中心位置を各々の光束の光軸中心が通過するように、複数のライトガイド１９の出射面の角度を瞳中心位置からの距離に応じて変化させる。
【選択図】図３

Description

本発明はマイクロアレイ測定装置に関し、より詳細には高密度で配列された試料の光を測定する際に互いに隣接する試料の光干渉を防ぐ技術に関する。

スライドガラス板の上にホルモン類、腫瘍マーカ、酵素、抗体、抗原、アインザイム、その他のたんぱく質などの生体由来の物質をアレイ状に配置し、核酸、ｃＤＮＡ、ＤＮＡ、ＲＮＡなどの生体由来の物質と特異的に結合可能で、かつ、塩基配列等が既知の特異的結合物質を、スポッター装置などを用いて生体由来の物質上に滴下して結合させ測定対象となる試料を形成する。次に、アレイ状に配置された複数の試料にある特定の励起光を照射した際に特異的な蛍光を試料から発生させる反応を起こすＣｙ３またはＣｙ５等の蛍光色素を添加する。その後、試料に特定の励起光を照射し、その際に生じる試料からの特異的な蛍光を複数の受光器で受光し、それぞれの蛍光情報を基に分析を行うマイクロアレイとその測定装置がある。

しかし分析を行う際に誤差要因となるノイズ等が問題となってくる。特にアレイ状のように試料が高密度に配置されたものを分析する際には、各々の試料から発せられる光又は蛍光が非常に広い指向角を形成するため、それぞれ隣り合う試料から発せられる光又は蛍光と受光器の受光面で干渉を起こしてしまい、どの試料からの光成分かを判別することが非常に困難である。そのため、分析の際のノイズ成分が増え、誤差要因となる問題があった。

この問題を解決するために、アレイ状に配置された複数の試料と同じピッチ間隔で配置された集光光学系をそれぞれ対応する位置に配置し、十分な大きさを持った受光器の受光面上で結合させる際に、隣り合う試料から発せられる光または蛍光との干渉しないように集光光学系で各々の光をそれぞれ受光面上に集光させることで分析を行う際のノイズの低減を図り、誤差要因を抑制している（例えば、特許文献１参照）。

また、一般的な撮像技術として、主に物体となるものが決まっていない撮像光学系においては、物体とカメラの距離の変化や、複数のレンズで構成された結像光学系とＣＣＤ受光素子などの受光器との距離の変化などに影響されることなく、つねに安定した撮像を可能とするために、物体側及び受光側共にテレセントリック光学系で構成する手法が主にとられている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００３−４８９７号公報特開２００４−２６４７１４号公報

しかしながら、前記従来の構成では、撮像光学系に一般的ＣＣＤカメラ用結像レンズ系とＣＣＤカメラを用いて測定対象エリアの軸外にあたる試料の光を取り込もうとした場合に、ＣＣＤ受光面で結像させた際に像面湾曲等による光の干渉を起こし誤差要因となるという課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、マイクロアレイ状に高密度に配置された試料から発せられる光を測定する際に、誤差要因となる像面湾曲等による光の干渉を抑制することができるマイクロアレイ測定装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のマイクロアレイ測定装置は、マイクロアレイ状に複数の試料が配置された試料部と、前記試料部から発せられる各々の光束を所定の位置に集光する集光レンズ部と、前記集光レンズ部にて集光された各々の光束を導光する複数のライトガイドが形成された光導光手段と、前記光導光手段を通過した光束を結像させる結像レンズ系と、前記結像レンズ系にて結像された光束を受光する受光部と、前記受光部に到達した光束を電気信号に変換して分析を行う制御部と、を備えたマイクロアレイ測定装置において、前記結像レンズ系の瞳中心位置を前記各々の光束の光軸中心が通過するように、前記複数のライトガイドの出射面の角度を前記瞳中心位置からの距離に応じて変化させたことを特徴とするものである。

さらにマイクロアレイ測定装置において、前記複数のライトガイドの入射面の角度を前記瞳中心位置からの距離に応じて変化させたことを特徴とするものである。

さらにマイクロアレイ測定装置において、前記マイクロアレイ装置において、前記受光部の受光エリアサイズをＡ、前記結像レンズ系による光学倍率をＭ、前記ライトガイドの出射端面のエリアサイズをＢとした場合、Ａ＞Ｂ＊Ｍが成り立つように入射端でのライトガイドの間隔と出射端でのライトガイドの間隔を設定することを特徴とするものである。

本発明のマイクロアレイ装置によれば、試料からの各々のすべての光の光軸中心がＣＣＤカメラ用結像レンズ系の瞳中心位置を通過するように、光導光路に形成されたライトガイドからの各々の光の出射の角度を前記ＣＣＤカメラ用結像レンズ系の瞳中心位置からの距離に応じて変化させることで、別途専用の複数のレンズを使用することなく像面湾曲等による光の干渉を抑制することができる。

以下に、本発明のマイクロアレイ測定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は本発明のマイクロアレイ測定装置の外観を示す図であり、本発明であるマイクロアレイ測定装置は試料部１と、導光部２と、ＣＣＤカメラ用結像レンズ部３およびＣＣＤカメラ４とステージ部５と制御部６で構成されている。

図２は本発明のマイクロアレイ測定装置の前記試料部１と前記導光部２とＣＣＤカメラ用結像レンズ部３に関する詳細図である。前記試料部１は試料を配置するスライドガラス板７と、前記スライドガラス板７を保持するホルダー８とで構成されており、前記導光部２は光学ホルダー部９、および外光を遮光する遮光壁１０とで構成されている。前記ＣＣＤカメラ用結像レンズ部３は光学倍率Ｍの特性を持った一般的なＣＣＤカメラ用結像レンズ系１１とそれらを保持するＣＣＤカメラ用結像レンズホルダー１２とで構成されている。

また、前記ステージ部５は前記試料部１を垂直、水平、高さ、の３方向に移動することが可能な一般的なステージで構成され、制御部６はＣＣＤカメラ４で検出した輝度情報を分析する手段を備えたもので構成されている。

図３は、実施の形態１におけるマイクロアレイ測定装置の光学系と光束の関係を示した図である。図３に示す通り、前記スライドガラス板７上にマイクロアレイ状に試料１３が配置されている。前記試料１３から発せられる光束１４はマイクロアレイ状に配置された前記試料１３と同ピッチに配置されたレンズアレイ１５を通って光導光手段１６に形成されているライトガイド１７の入射端面１８へと集光される。その後、前記ライトガイド１７内を伝播した前記光束１４は前記ライトガイド１７の出射端面１９より前記ＣＣＤカメラ用結像レンズ系１１の瞳面２０をすべての前記光束１４の光軸中心が通過するように出射され、前記ＣＣＤカメラ用結像レンズ系１１を介してＣＣＤカメラ受光面２１へと結像される。なお前記レンズアレイ１５と前記光導光手段１６は前記光学ホルダー部９によって機械的に保持されており、前記レンズアレイ１５、前記光導光手段１６は常に一定の距離で保たれているものとする。

図４は実施の形態１におけるライトガイド１７の出射光束を示した図である。図４に示す通り、前記ライトガイド１７の前記出射端面１９から出射されたすべての前記光束１４の光軸中心２２は前記ＣＣＤカメラ用レンズ系１１の前記瞳面２０の瞳中心位置２３を通過するように前記ライトガイド１７の前記出射端面１９の角度に変化を与えている。

図５は実施の形態１における前記ライトガイド１７の前記出射端面１９と、前記ＣＣＤカメラ用結像レンズ系１１の関係を示した図である。図５に示す通り、前記瞳中心位置２３における前記光軸中心２２と前記光導光手段１６の垂直方向（中心線２４）との成す角が大きくなる程、前記出射端面１９からの前記光束１４の出射角を大きく傾け、前記光束１４の前記光軸中心２２が前記瞳中心位置２３を通過する様に、前記出射端面１９に距離に応じた傾斜角を与えている。

次に、前記出射端面１９からの各々の前記光束１４の出射角を変化させるための前記出射端面１９の傾斜角ついて図６を用いて詳細に説明する。図６は実施の形態１おけるライトガイド１７の出射端面傾斜角と出射光束を表わす模式図である。図６に示す通り、前記出射端面１９の中心位置と前記瞳中心位置２３との垂直方向の距離をＬ、水平方向の距離をＸとした場合、前記ライトガイド１７の屈折率をＮ１、前記出射端面１９から前記瞳中心位置２３までの伝播屈折率をＮ２とすると、前記出射端面１９に対する出射角θ２は、スネルの法則より前記ライトガイド１７の出射端面傾斜角θ１との関係式として以下の式にて表される。

よって、出射角θは、以下の式にて表される。

従って、前記ライトガイド１７の出射端面傾斜角θ１は、前記出射端面１９からの出射角θ、前記出射端面１９の中心位置と前記瞳中心位置２３との垂直方向の距離Ｌ及び水平方向の距離Ｘ、前記ライトガイド１７の屈折率Ｎ１、前記出射端面１９から前記瞳中心位置２３までの伝播屈折率Ｎ２、により定義され、上記条件を満足する様に前記光導光手段１６の全ての前記ライトガイド１７の前記出射端面１９の端面形状を設計することにより、前記光束１４のすべての前記光軸中心２２が前記瞳中心位置２３を通過するようにすることが可能となる。

以上の様に本実施の形態１においては、ＣＣＤカメラレンズ系１１の瞳中心位置からの距離に応じて光導光手段１６に形成されたライトガイド１７の出射端面に傾斜を設けるようにしたため、光軸のずれによる光の干渉を防ぐ事が可能となる。

（実施の形態２）
図３は、実施の形態２におけるマイクロアレイ測定装置の光学系と光束の関係を示した図である。実施の形態１とは光導光手段１６に形成されたライトガイド１７の形状が異なる。図７に示す通り、前記スライドガラス板７上にマイクロアレイ状に前記試料１３が配置されている。前記試料１３から発せられる前記光束１４はマイクロアレイ状に配置された前記試料１３と同ピッチに配置された前記レンズアレイ１５を通って前記光導光手段１６に形成されている前記ライトガイド１７の前記入射端面１８へと集光される。その後、前記ライトガイド１７内を伝播し、前記出射端面１９より出射される全ての前記光束１４の光軸中心が、前記ＣＣＤカメラ用結像レンズ系１１の前記瞳面２０を通過する様に前記ライトガイド１７が構成されており、前記光束１４は、前記ＣＣＤカメラ用結像レンズ系１１を介して前記ＣＣＤカメラ受光面２１へと結像される。なお前記レンズアレイ１５と前記光導光手段１６は前記光学ホルダー部９によって機械的に保持されており、前記レンズアレイ１５、前記光導光手段１６は常に一定の距離で保たれているものとする。ここで、前記ＣＣＤカメラ用結像レンズ系１１の光学倍率Ｍ、前記ＣＣＤカメラ受光面２１のサイズをＡ、出射エリア２５のサイズをＢとすると、Ａ＞Ｂ＊Ｍを満足するように構成すれば、前記出射エリア２５が前記ＣＣＤカメラ受光面２１で結像する際に発生する像面湾曲等による光束の干渉をさらに抑制することが可能となる。

図８は実施の形態２におけるライトガイド出射光束及び、ライトガイドの入射端面の状態を示した図である。図８に示す通り、前記ライトガイド１７を前記瞳中心位置２３からの距離に応じて傾きを与える様に構成し、入射エリア２６のサイズに対する前記出射エリア２５サイズＢの縮小化を図ることにより、前記ＣＣＤカメラ受光面２１での像面湾曲等による結像スポットの干渉を更に抑制している。

またこの時、前記ライトガイド１７の前記出射端面１９から出射されたすべての前記光束１４の前記光軸中心２２が前記ＣＣＤカメラ用レンズ系１１の前記瞳面２０の前記瞳中心位置２３を通過するように前記ライトガイド１７の前記入射端面１８の傾斜角に変化を与えている。

そこで、前記出射端面１９からの各々の前記光束１４のすべての前記光軸中心２２が前記瞳中心位置２３を通過するように構成される前記入射端面１８の傾斜角について図９を用いて詳細に説明する。

図９に示す通り、前記出射端面１９の中心位置と前記瞳中心位置２３との垂直方向の距離をＬ、水平方向の距離をＸとした場合、前記ライトガイド１７の屈折率をＮ１、前記入射端面１８までの伝播屈折率をＮ２とし、さらに前記ライトガイド１７内を伝播する前記光束１４の前記光軸中心２２は前記出射端面１９に対して垂直となるようにすると、前記入射端面１８の傾斜角θ２は、スネルの法則より前記ライトガイド１７内への伝播角度θ１との関係式として以下の式にて表される。

よって、出射角θは、以下の式にて表される。

即ち、前記入射端面１８の傾斜角θ２は、前記出射端面１９からの出射角θ、前記出射端面１９の中心位置と前記瞳中心位置２３との垂直方向の距離Ｌ及び水平方向の距離Ｘ、前記ライトガイド１７の屈折率Ｎ１、前記入射端面１８までの伝播屈折率Ｎ２、により定義され、上記条件を満足する様に前記ライトガイド１７の前記入射端面１８の端面形状を設計することにより、前記光束１４のすべての前記光軸中心２２が前記瞳中心位置２３を通過するようにすることが可能となる。

以上のような構成からなる本発明であるマイクロアレイ測定装置をもって撮像した場合と、そうでない一般的なＣＣＤカメラとＣＣＤカメラ用結像レンズ系を用いて撮像した場合のＣＣＤ受光面での結像状態についてシミュレーションを行った結果を、図１０を用いて説明する。

図１０（ａ）は本発明であるマイクロアレイ測定装置を用いた場合、図１０（ｂ）は一般的なＣＣＤカメラとＣＣＤカメラ用結像レンズ系を用いた場合である。図１０（ｂ）の一般的な構成は、外側の軸外にあたる光束２８が、マイクロアレイ状に配置された場合に隣接する他の試料からの光束との干渉限界を示す許容エリア２７を越えて広がって結像しているのに対し、本発明の結果である図１０（ａ）は外側の軸外にあたる光束２８であっても前記許容エリア２７内に結像できる結果が得られた。

以上のように、本発明のマイクロアレイ測定装置によれば、試料からの各々のすべての光の光軸中心がＣＣＤカメラ用結像レンズ系の瞳中心位置を通過するように、光導光路に形成されたライトガイドの各々の光束の出射端面の角度をＣＣＤカメラ用結像レンズ系の瞳中心位置からの距離に応じて変化させることで、像面湾曲による光の干渉を抑制することができる。

本発明にかかるマイクロアレイ測定装置は、像面湾曲による光の干渉を抑制することができるため、高密度に配置されたマイクロアレイの測定装置等として有用である。

本発明のマイクロアレイ測定装置の外観図本発明のマイクロアレイ測定装置の詳細図マイクロアレイ測定装置の光学系と光束の関係を示した図本発明の実施の形態１におけるライトガイド出射光束を示した図本発明の実施の形態１におけるライトガイド出射端面と、ＣＣＤカメラ用結像レンズ系の関係を示す図本発明の実施の形態１におけるライトガイド出射端面の傾斜角と出射光束を表わす模式図マイクロアレイ測定装置の光学系と光束の関係を示した図実施の形態２におけるライトガイド出射光束を及びライトガイドの入射端面の状態を示した図本発明の実施の形態２におけるライトガイド入射端面の傾斜角と出射光束を表わす模式図結像シミュレーション結果を示す図

符号の説明

１試料部
２導光部
３ＣＣＤカメラ用結像レンズ部
４ＣＣＤカメラ
５ステージ部
６制御部
７スライドガラス板
８ホルダー
９光学ホルダー部
１０遮光壁
１１ＣＣＤカメラ用結像レンズ系
１２ＣＣＤカメラ用結像レンズホルダー
１３試料
１４光束
１５レンズアレイ
１６光導光手段
１７ライトガイド
１８入射端面
１９出射端面
２０瞳面
２１ＣＣＤカメラ受光面
２２光軸中心
２３瞳中心位置
２４中心線
２５出射エリア
２６入射エリア
２７許容エリア
２８軸外にあたる光束

Claims

マイクロアレイ状に複数の試料が配置された試料部と、
前記試料部から発せられる各々の光束を所定の位置に集光する集光レンズ部と、
前記集光レンズ部にて集光された各々の光束を導光する複数のライトガイドが形成された光導光手段と、
前記光導光手段を通過した光束を結像させる結像レンズ系と、
前記結像レンズ系にて結像された光束を受光する受光部と、
前記受光部に到達した光束を電気信号に変換して分析を行う制御部と、
を備えたマイクロアレイ測定装置において、
前記結像レンズ系の瞳中心位置を前記各々の光束の光軸中心が通過するように、前記複数のライトガイドの出射面の角度を前記瞳中心位置からの距離に応じて変化させる、
マイクロアレイ測定装置。
前記複数のライトガイドの入射面の角度を前記瞳中心位置からの距離に応じて変化させる、
請求項１記載のマイクロアレイ測定装置。
前記マイクロアレイ装置において、前記受光部の受光エリアサイズをＡ、前記結像レンズ系による光学倍率をＭ、前記ライトガイドの出射端面のエリアサイズをＢとした場合、
Ａ＞Ｂ＊Ｍが成り立つように入射端でのライトガイドの間隔と出射端でのライトガイドの間隔を設定する、
請求項１に記載のマイクロアレイ測定装置。