JP2008286690A - 撮像装置及び生体高分子分析チップ - Google Patents

Abstract

【課題】適正な温度範囲に制御できる生体高分子分析チップを提供する。
【解決手段】光電変換素子２０を有する固体撮像デバイス１０と、光電変換素子２０の受光面側に配置されるウェル４０と、固体撮像デバイス１０の熱をウェル４０に移動させるペルチェ素子３０と、を備える撮像装置２である。ペルチェ素子は、ウェルが配置される開口を有する吸熱基板と、ウェルが配置される開口を有し吸熱基板と対向配置される排熱基板と、吸熱基板と排熱基板との間に挟持され、通電されることにより吸熱基板から排熱基板に熱を移動させる半導体と、を備え、吸熱基板は前記固体撮像デバイスを吸熱し、排熱基板はウェルに排熱する撮像装置。
【選択図】図３

Description

本発明は、撮像装置及び生体高分子分析チップに関する。

様々な生物種の遺伝子の発現解析を行うためにＤＮＡチップや抗体チップ等の生体高分子分析チップやその読取装置が開発されている。生体高分子分析チップは、プローブとなる既知の塩基配列のｃＤＮＡや抗体をスライドガラス等の固体担体上にマトリックス状に整列固定させたものである。例えば、ＤＮＡチップ及びその読取装置を用いた遺伝子の発現解析は次のようにして行う。

まず、既知の塩基配列を有した複数種類のｃＤＮＡ（以下、プローブＤＮＡという）をスライドガラス等の固体担体に整列固定させたＤＮＡチップを準備する。次に、検体からｍＲＮＡを抽出し、逆転写酵素を用いてｃＤＮＡを合成し、標識物質で標識したものを用意する（以下、標識ＤＮＡという）。ここで、標識物質には蛍光体や化学発光基質、あるいは化学発光基質を発光させる酵素等を用いることができる。
次に、標識ＤＮＡをＤＮＡチップ上に添加すると、標識ＤＮＡが相補的なプローブＤＮＡとハイブリダイズすることによりＤＮＡチップ上に固定される。

次いで、ＤＮＡチップを読取装置にセッティングし、読取装置にて分析する。読取装置は、ＤＮＡチップに対して二次元的に移動する集光レンズ及びフォトマルチプライヤーによってＤＮＡチップを走査する標識物質により発した光を集光レンズで集光させ、光強度をフォトマルチプライヤーで計測することで、ＤＮＡチップの面内の光強度分布を計測し、これにより、ＤＮＡチップ上の光強度分布が二次元の画像として出力される。出力された画像内で光強度が大きい部分には、プローブＤＮＡの塩基配列と相補的な塩基配列を有した標識ＤＮＡが含まれていることを表している。従って、二次元画像中のどの部分の蛍光強度が大きいかによって検体で発現しているｍＲＮＡを同定することができる。

また、複数の撮像素子を二次元アレイ状に配列してなる固体撮像デバイスの受光面にＤＮＡや抗体等のプローブ分子をスポットした生体高分子分析チップが開発されている。このような生体高分子分析チップでは、スポットに付着した標識ＤＮＡ等の生体高分子を標識する標識物質により発生する光を各光電変換素子により計測する。固体撮像デバイスの受光面にスポットが点在しており、受光面に付着された生体高分子と光電変換素子との間の距離が近いために標識物質から発した光があまり減衰せずに固体撮像デバイスの受光面に入射するため、僅かな光量でも計測が可能であるという利点がある。

ところで、撮像素子は温度が上昇すると暗電流が増大するため、ノイズが増大する。このため、撮像素子を冷却する冷却装置により撮像素子を一定温度に保つことが行われる（例えば、特許文献１参照）。
特開平５−１１８９２５号公報

酵素反応を利用した化学発光を固体撮像素子で受光するとき、一般的に、酵素反応は、室温（例えば２５℃）よりも高温（例えば３７℃）である方が活性化し、発光量が増大するが、その温度において、固体撮像素子は、熱によるノイズが増大するという問題がある。特に、密着型として、距離による受光量の減衰を防ぐようにしても、熱によるノイズの増大は、ダイナミックレンジを狭めるという問題が発生する。

本発明は、上記の問題を解決し、適正な温度範囲に制御できる生体高分子分析チップを提供することを目的とする。

以上の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、光電変換素子を有する固体撮像デバイスと、前記光電変換素子の受光面側に配置されるウェルと、前記固体撮像デバイスの熱を前記ウェルに移動させる温度調整素子と、を備えることを特徴とする撮像装置である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の撮像装置であって、前記温度調整素子は、前記ウェルが配置される開口を有する吸熱基板と、前記ウェルが配置される開口を有し前記吸熱基板と対向配置される排熱基板と、前記吸熱基板と前記排熱基板との間に挟持され、通電されることにより前記吸熱基板から前記排熱基板に熱を移動させる半導体と、を備え、前記吸熱基板は前記固体撮像デバイスを吸熱し、前記排熱基板は前記ウェルに排熱することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の撮像装置であって、前記排熱基板と当接し前記排熱基板の熱を外部に放出する放熱材をさらに備えることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の撮像装置であって、前記放熱材を冷却する空冷ファンをさらに備えることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の撮像装置と、前記ウェル内に設けられ、特定の生体高分子と結合するプローブとを備えることを特徴とする生体高分子分析チップである。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の生体高分子分析チップであって、前記プローブは既知の塩基配列を含む一本鎖ＤＮＡを有することを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項５に記載の生体高分子分析チップであって、前記プローブは特定の抗原と結合する抗体であることを特徴とする。

本発明によれば、より簡易な生体高分子分析チップを提供することができる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。

［第１実施形態］
〔１〕生体高分子分析チップの全体構成
図１は、本発明の実施形態に係る生体高分子分析チップ１の概略平面図であり、図２は、図１のII矢視方向から見た側面図、図３は図１のIII−III線に沿った矢視断面図である。この生体高分子分析チップ１は、ＤＮＡを検出するＤＮＡチップである。
この生体高分子分析チップ１は、図１〜図３に示すように、撮像装置２にスポット６０が形成されてなり、撮像装置２は、固体撮像デバイス１０と、ウェル４０と、ペルチェ素子３０と、を備える。

〔２〕固体撮像デバイス
ここで、図４、図５を用いて固体撮像デバイス１０について説明する。図４は固体撮像デバイス１０のフォトセンサ２０を示す平面図であり、図５は図４のV−V矢視断面図である。図５に示すように、固体撮像デバイス１０は、透明基板１１と、ボトムゲート絶縁膜１３と、トップゲート絶縁膜２１と、保護絶縁膜２３とを積層してなる。これらの層間に、複数のボトムゲートライン１２ａ、ソースライン１８ａ、ドレインライン１９ａ、トップゲートライン２２ａ、及び、フォトセンサ２０を形成するボトムゲート電極１２、半導体膜１４、チャネル保護膜１５、不純物半導体膜１６，１７、ソース電極１８、ドレイン電極１９、トップゲート電極２２が適宜設けられている。

透明基板１１は、後述する蛍光体が発する光を透過する性質（以下、光透過性という。）を有するとともに絶縁性を有し、石英ガラス等といったガラス基板又はポリカーボネート、ＰＭＭＡ等といったプラスチック基板である。

この固体撮像デバイス１０においては、光電変換素子としてダブルゲート型電界効果トランジスタ（以下、フォトセンサという。）２０が利用され、複数のフォトセンサ２０，２０，…が透明基板１１上において二次元アレイ状に特にマトリクス状に配列され、これらフォトセンサ２０，２０，…が窒化シリコン（SiN）等の保護絶縁膜２３によってまとめて被覆されている。
なお、図１では２行×２列の4個のフォトセンサ２０，２０，…を備えるマトリクス状の二次元アレイを示すが、さらに多くの行及び列を有していてもよい。

図４はフォトセンサ２０を示す平面図であり、図５は図４のV−V矢視断面図である。図４、図５に示すように、フォトセンサ２０，２０，…は何れも、受光部である半導体膜１４と、半導体膜１４上に形成されたチャネル保護膜１５と、ボトムゲート絶縁膜１３を挟んで半導体膜１４の下に形成されたボトムゲート電極１２と、トップゲート絶縁膜２１を挟んで半導体膜１４の上に形成されたトップゲート電極２２と、半導体膜１４の一部に重なるよう形成された不純物半導体膜１６と、半導体膜１４の別の部分に重なるよう形成された不純物半導体膜１７と、不純物半導体膜１６に重なったソース電極１８と、不純物半導体膜１７に重なったドレイン電極１９と、を備え、半導体膜１４において受光した光量に従ったレベルの電気信号を出力するものである。

ボトムゲート電極１２は、フォトセンサ２０ごとに透明基板１１上に形成されている。また、透明基板１１上には横方向に延在する複数本のボトムゲートライン１２ａ，１２ａが形成されており、横方向に配列された同一の行のフォトセンサ２０，２０，…のそれぞれのボトムゲート電極１２が共通のボトムゲートライン１２ａと一体となって形成されている。ボトムゲート電極１２及びボトムゲートライン１２ａは、導電性及び遮光性を有し、例えばクロム、クロム合金、アルミ若しくはアルミ合金又はこれらの合金を含む。

フォトセンサ２０，２０，…のボトムゲート電極１２及びボトムゲートライン１２ａ，１２ａ，…はボトムゲート絶縁膜１３によってまとめて被覆されている。すなわち、ボトムゲート絶縁膜１３は全てのフォトセンサ２０，２０，…に共通して形成された膜である。ボトムゲート絶縁膜１３は、絶縁性及び光透過性を有し、例えば窒化シリコン（SiN）又は酸化シリコン（SiO₂）を含む。

ボトムゲート絶縁膜１３上には、複数の半導体膜１４がマトリクス状に配列するよう形成されている。半導体膜１４は、フォトセンサ２０ごとに独立して形成されており、それぞれのフォトセンサ２０においてボトムゲート電極１２に対して対向配置され、ボトムゲート電極１２との間にボトムゲート絶縁膜１３を挟んでいる。半導体膜１４は、平面視して略矩形状を呈しており、受光した蛍光の光量に応じた量の電子−正孔対を生成するアモルファスシリコン又はポリシリコンで形成された層である。

半導体膜１４上には、チャネル保護膜１５が形成されている。チャネル保護膜１５は、フォトセンサ２０ごとに独立してパターニングされており、それぞれのフォトセンサ２０において半導体膜１４の中央部上に形成されている。チャネル保護膜１５は、絶縁性及び光透過性を有し、例えば窒化シリコン又は酸化シリコンを含む。チャネル保護膜１５は、パターニングに用いられるエッチャントから半導体膜１４の界面を保護するものである。半導体膜１４に光が入射すると、入射した光量に従った量の電子−正孔対がチャネル保護膜１５と半導体膜１４との界面付近を中心に発生するようになっている。この場合、半導体膜１４にはキャリアとして正孔及び電子が発生する。

半導体膜１４の一端部上には、不純物半導体膜１６が一部、チャネル保護膜１５に重なるようにして形成されており、半導体膜１４の他端部上には、不純物半導体膜１７が一部、チャネル保護膜１５に重なるようにして形成されている。不純物半導体膜１６，１７は、フォトセンサ２０ごとに独立してパターニングされている。不純物半導体膜１６，１７は、ｎ型の不純物イオンを含むアモルファスシリコン（ｎ⁺シリコン）を含む。

不純物半導体膜１６上には、ソース電極１８が形成され、不純物半導体膜１７上には、ドレイン電極１９が形成されている。ソース電極１８及びドレイン電極１９はフォトセンサ２０ごとに形成されている。縦方向に延在する複数本のソースライン１８ａ，１８ａ及びドレインライン１９ａ，１９ａがボトムゲート絶縁膜１３上に形成されている。縦方向に配列された同一の列のフォトセンサ２０，２０，…のソース電極１８は共通のソースライン１８ａと一体に形成されており、縦方向に配列された同一の列のフォトセンサ２０，２０，…のドレイン電極１９は共通のドレインライン１９ａと一体に形成されている。ソース電極１８、ドレイン電極１９、ソースライン１８ａ及びドレインライン１９ａは、導電性及び遮光性を有しており、例えばクロム、クロム合金、アルミ若しくはアルミ合金又はこれらの合金を含む。

フォトセンサ２０，２０，…のソース電極１８及びドレイン電極１９並びにソースライン１８ａ，１８ａ及びドレインライン１９ａ，１９ａは、トップゲート絶縁膜２１によってまとめて被覆されている。トップゲート絶縁膜２１は全てのフォトセンサ２０，２０，…に共通して形成された膜である。トップゲート絶縁膜２１は、絶縁性及び光透過性を有し、例えば窒化シリコン又は酸化シリコンを含む。

トップゲート絶縁膜２１上には、複数のトップゲート電極２２がフォトセンサ２０ごとに形成されている。トップゲート電極２２は、それぞれのフォトセンサ２０において半導体膜１４に対して対向配置され、半導体膜１４との間にトップゲート絶縁膜２１及びチャネル保護膜１５を挟んでいる。また、トップゲート絶縁膜２１上には横方向に延在する複数本のトップゲートライン２２ａ，２２ａが形成されており、横方向に配列された同一の行のフォトセンサ２０，２０のトップゲート電極２２が共通のトップゲートライン２２ａと一体に形成されている。トップゲート電極２２及びトップゲートライン２２ａは、導電性及び光透過性を有し、例えば、酸化インジウム、酸化亜鉛若しくは酸化スズ又はこれらのうちの少なくとも一つを含む混合物（例えば、錫ドープ酸化インジウム（ＩＴＯ）、亜鉛ドープ酸化インジウム）で形成されている。

フォトセンサ２０，２０，…のトップゲート電極２２及びトップゲートライン２２ａ，２２ａは保護絶縁膜２３によってまとめて被覆され、保護絶縁膜２３は全てのフォトセンサ２０，２０，…に共通して形成された膜である。保護絶縁膜２３は、絶縁性及び光透過性を有し、窒化シリコン又は酸化シリコンを含む。

以上のように構成された固体撮像デバイス１０は、保護絶縁膜２３の表面を受光面としており、フォトセンサ２０の半導体膜１４において受光した光量を電気信号に変換するように設けられている。

〔３〕ペルチェ素子
ペルチェ素子３０は、排熱基板３１と、吸熱基板３２と、ｐ型半導体３３及びｎ型半導体３４と、熱伝導材３５と、断熱材３６とを備える。
排熱基板３１と、吸熱基板３２とは対向配置され、排熱基板３１の吸熱基板３２との対向面に電極３１ａが、吸熱基板の排熱基板３１との対向面に電極３２ａが形成されている。同一個数のｐ型半導体３３及びｎ型半導体３４は交互に隣接して配列され、いずれも一端面及び他端面がそれぞれ電極３１ａ，３２ａと当接する。ｐ型半導体３３は一端面側の電極３１ａにより隣接する１つのｎ型半導体３４と電気的に接続し、他端面側の電極３２ａにより隣接する他の１つのｎ型半導体３４と電気的に接続する。同様に、ｎ型半導体３４は一端面側の電極３１ａにより隣接する１つのｐ型半導体３３と電気的に接続し、他端面側の電極３２ａにより隣接する他の１つのｐ型半導体３３と電気的に接続する。以上により、全てのｐ型半導体３３及びｎ型半導体３４が電極３１ａ，３２ａにより交互に直列に接続される。

直列に接続されたｐ型半導体３３及びｎ型半導体３４のうち、一方の端部のｎ型半導体３４の上端面を正極に接続し、他方の端部のｐ型半導体３３の上端面を負極に接続し、直流電流を流す。すると、ｎ型半導体３４では、電子が電極３２ａ側から電極３１ａ側に移動する。このとき、電子が、電極３２ａからｎ型半導体３４に移動するためのエネルギーと、ｎ型半導体の内部を電極３１ａまで移動するためのエネルギーを、電極３２ａから奪うため、電極３２ａでエネルギーが不足し、温度が低下する。一方、電極３１ａでは、電子が放出するエネルギーにより温度が上昇する。

同様に、ｐ型半導体３３では、正孔が、見かけ上、電極３２ａ側から電極３１ａ側に移動する。このとき、正孔が、電極３２ａからｐ型半導体３３に移動するためのエネルギーと、ｐ型半導体の内部を電極３１ａまで移動するためのエネルギーを、電極３２ａから奪うため、電極３２ａでエネルギーが不足し、温度が低下する。一方、電極３１ａでは、正孔が放出するエネルギーにより温度が上昇する。

温度が低下した電極３２ａは、吸熱基板３２からエネルギーを奪うため、吸熱基板３２の温度が低下する。温度が上昇した電極３１ａが排熱基板３１にエネルギーを放出することで、排熱基板３１の温度が上昇する。
以上のペルチェ効果により、吸熱基板３２から排熱基板３１へ熱を移動させることができる。

なお、反対に、直列に接続されたｐ型半導体３３及びｎ型半導体３４のうち、一方の端部のｎ型半導体３４の上端面を負極に接続し、他方の端部のｐ型半導体３３の上端面を正極に接続し、直流電流を流すことで、排熱基板３１から吸熱基板３２へ熱を移動させることができる。

排熱基板３１及び吸熱基板３２には、開口３１ｂ，３２ｂが設けられており、開口３１ｂ，３２ｂ内にウェル４０が配置される。排熱基板３１及び吸熱基板３２は、ともに絶縁性及び熱伝導性を備える基板であって、セラミック基板が好適であり、特に窒化アルミニウム［体積固有抵抗値：１０^１４Ω・ｃｍ、熱伝導率：１５０Ｗ／（ｍ・ｋ）］が好ましい。
熱伝導材３５は、排熱基板３１とウェル４０の側壁４２との間に、排熱基板３１及び側壁４２に接するように設けられており、排熱基板３１からウェル４０内への熱伝導を促進する。熱伝導材３５は、排熱基板３１及び吸熱基板３２より熱伝導率の高い材料で形成され、アルミニウム［熱伝導率：２３６Ｗ／（ｍ・ｋ）］や銅［熱伝導率：３９０Ｗ／（ｍ・ｋ）］が好適である。断熱材３６は、熱伝導率が低い絶縁材料で形成され、吸熱基板３２と排熱基板３１及びウェル４０との間に設けられており、排熱基板３１及びウェル４０から吸熱基板３２への熱伝導を妨げる。断熱材３６は、熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・ｋ）以下のガラス或いはその他のセラミック等の材料が好ましい。

ペルチェ素子３０は、後述するサンプルの検出時において、固体撮像デバイス１０を冷却したりウェル４０内を加熱するのに用いられる。

〔４〕ウェル
ウェル４０は、底板４１と、底板４１の外周部に沿って上方に連なる側壁４２とを含む。底板４１及び側壁４２は後述する蛍光体から放出される光を透過する材料により形成されている。このような材料としては、例えばシリコンポリマーを用いることができ、具体的には、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）等を用いることができる。

底板４１は、固体撮像デバイス１０のフォトセンサ２０の上部に配置されている。なお、１つのウェル４０が複数のフォトセンサ２０の上部に配置されてもよい。
底板４１は、後述する蛍光をフォトセンサ２０が捕捉するために、蛍光が十分透過する程度の透過率及び厚さに設定されている。

側壁４２の外周部には熱伝導材３５が当接する。熱伝導材３５は、側壁４２を介して排熱基板３１の熱をウェル４０内の溶液に伝導する。
ウェル４０内にはスポット６０が形成され、ウェル４０内において後述するハイブリダイゼーションやサンプルの検出が行われる。

〔５〕スポット
図１、図３に示すように、ウェル４０内にはスポット６０が形成されている。各スポット６０は、プローブとなる既知の塩基配列のｃＤＮＡ（プローブＤＮＡ６１）や抗体等の溶液をウェル４０内に滴下し、乾燥して形成される。以下ではプローブとして既知の塩基配列のｃＤＮＡを用いた場合について説明する。

１つのスポット６０では同じ塩基配列の一本鎖のプローブＤＮＡ６１が多数集まった群集がウェル４０内に固定化され、スポット６０ごとにプローブＤＮＡ６１は異なる塩基配列となっている。プローブＤＮＡ６１としては、既知のｍＲＮＡの塩基配列、またはその一部と同一の、あるいは相補的な塩基配列のＤＮＡが用いられる。具体的には、例えば、後述する酵素標識ＤＮＡで用いるのと同じ細胞検体から作成したｃＤＮＡライブラリを用いることができる。

１つのスポット６０は１つもしくは複数のフォトセンサ２０上に重なるように形成されている。

〔６〕分析装置
生体高分子分析チップ１を分析装置７０にセッティングして生体高分子分析チップ１を用いるので、まず分析装置７０について説明する。図６は分析装置７０の構成を示すブロック図である。

図６に示すように、分析装置７０は、固体撮像デバイス１０を駆動するトップゲートドライバ７４、ボトムゲートドライバ７５、ドレインドライバ７６と、これらを制御するＣＰＵ７１と、ＲＡＭ７２と、ＲＯＭ７３と、ＣＰＵ７１から出力された信号により出力（表示又はプリント）を行う出力装置７７と、ＣＰＵ７１により制御されペルチェ素子を駆動する駆動回路７８とを備える。

生体高分子分析チップ１が分析装置７０にセッティングされた場合には、固体撮像デバイス１０のトップゲートライン２２ａ，２２ａがトップゲートドライバ７４の端子に、ボトムゲートライン１２ａ，１２ａがボトムゲートドライバ７５の端子に、ドレインライン１９ａ，１９ａがドレインドライバ７６の端子に、それぞれ接続されるようになっている。また、生体高分子分析チップ１が分析装置７０にセッティングされた場合、固体撮像デバイス１０のソースライン１８ａ，１８ａ，…が一定電圧源に接続され、この例ではソースライン１８ａ，１８ａ，…が接地されるようになっている。

トップゲートドライバ７４、ボトムゲートドライバ７５及びドレインドライバ７６は、協同して固体撮像デバイス１０を駆動するものである。

ＣＰＵ７１は、ＲＯＭ７３に格納されたプログラムに従って分析装置７０を駆動する。
ＣＰＵ７１は、トップゲートドライバ７４、ボトムゲートドライバ７５及びドレインドライバ７６に制御信号を出力することによって、トップゲートドライバ７４、ボトムゲートドライバ７５及びドレインドライバ７６に固体撮像デバイス１０の駆動動作を行う。

また、ＣＰＵ７１は各フォトセンサ２０で受光された光の強度に応じてドレインドライバ７６に取り込まれた電気信号をＡ／Ｄ変換することで、ｎ個のフォトセンサ２０の出力値を得て、各出力値を光強度値に変換する。ｎ個のフォトセンサ２０で得られた各光強度値は、後述するように、それぞれ初期値Ａ₁〜Ａ_ｎ及びインターバル時間を経て得られた値Ｂ₁〜Ｂ_ｎとしてＲＡＭ７２に記憶する。
また、ＣＰＵ７１は、後述するように、入力されたインターバル時間ｔ₁、最大時間ｔ₂をＲＡＭ７２に記憶する。
そして、ＣＰＵ７１は、後述するように、ｎ個のフォトセンサ２０の出力値の最大値を得ることにより、固体撮像デバイス１０の受光面に沿った光強度分布を二次元の画像データとして取得する機能を有する。

さらに、ＣＰＵ７１は取得した画像データに従った画像を出力装置７７に出力させる機能を有する。
出力装置７７はプロッタ、プリンタ又はディスプレイである。

〔７〕酵素標識ＤＮＡ
上記生体高分子分析チップ１で分析する試料としては、ＤＮＡを用いることができる。試料となるＤＮＡとしては、任意の細胞検体内で発現しているｍＲＮＡを抽出し、逆転写酵素を用いて得られたｃＤＮＡを用いることができる。ｃＤＮＡは例えばアルカリホスファターゼやペルオキシダーゼ等、後述する化学発光基質の反応の触媒として機能する酵素で標識する。

ｃＤＮＡを酵素で標識するには、例えば、酵素で標識されたオリゴｄＴプライマや、標識されたｄＮＴＰミックスを用いてＲＴ−ＰＣＲ反応を実施すればよい。以下では、この標識されたｃＤＮＡを酵素標識ＤＮＡという。

〔８〕化学発光基質
酵素標識ＤＮＡを検出するのに用いる化学発光基質について説明する。化学発光基質としては、酵素標識ＤＮＡの標識に用いられた酵素を触媒として利用した化学反応により励起状態の蛍光物質を生成するものを用いることができる。
具体的には、例えばアルカリホスファターゼの基質となるジオキセタン系の誘導体や、ペルオキシダーゼの基質となるルミノール系の化合物を用いることができる。

ジオキセタン系の誘導体として、化学式１に示すアダマンチルジオキセタン塩素化誘導体（C₁₈H₁₉Cl₂O₇PNa₂）を例に挙げて説明する。アダマンチルジオキセタン塩素化誘導体はリン酸基を有し、アルカリホスファターゼの基質となる。

アルカリホスファターゼはアダマンチルジオキセタン塩素化誘導体のリン酸基を加水分解し、化学式２に示す不安定な中間体を形成する。

中間体は自然開裂し、化学式３に示すアダマンタノンと蛍光体とに分解される。この蛍光体は励起状態であり、蛍光体が基底状態に遷移するときのエネルギーが蛍光として放出される。アルカリホスファターゼは３７℃以上になると２５℃程度に比べて酵素反応が活性化し、開裂による蛍光体の蛍光強度が１０倍程度になる。

なお、アルカリホスファターゼの基質となる化学発光基質はリン酸基を有しており、水溶液中で負に帯電している。また、化学発光基質の加水分解により生成する蛍光体も、水溶液中で負に帯電している。このため、化学発光基質及び蛍光体は、水溶液中で正電荷側へ移動する。

〔９〕ハイブリダイゼーション
以下、酵素標識ＤＮＡ６２をプローブＤＮＡ６１とハイブリダイゼーションさせる方法について図７、図８を用いて説明する。
まず、作業者が、酵素標識ＤＮＡ６２を含有した溶液（以下、酵素標識ＤＮＡ溶液という）を各ウェル４０内に注入する。酵素標識ＤＮＡ溶液を注入する前に各ウェル４０内に酵素標識ＤＮＡ６２が泳動するためのバッファー溶液が入れられていてもよく、酵素標識ＤＮＡ溶液自体が泳動用のバッファー溶液を兼ねていてもよい。なお、酵素標識ＤＮＡ溶液を各ウェル４０内のスポット６０，６０，…に順次又は同時に滴下してもよい。このとき、酵素標識ＤＮＡ６２が一本鎖となるように酵素標識ＤＮＡ溶液は加熱されている。

次いで、プローブＤＮＡ６１と酵素標識ＤＮＡ６２とがハイブリダイゼーションを引き起こすように、生体高分子分析チップ１の各ウェル４０を所定の温度に冷却する。すると、図８に示すように、各ウェル４０内に注入された酵素標識ＤＮＡ溶液内の酵素標識ＤＮＡ６２のうち、塩基配列が当該ウェル内のスポット６０のプローブＤＮＡ６１の塩基配列と相補的なものは、プローブＤＮＡ６１とハイブリダイズする。一方、プローブＤＮＡ６１と相補的ではないものは、そのスポット６０には結合しない。
その後、ウェル４０内の酵素標識ＤＮＡ溶液を洗浄用バッファー溶液で洗い流し、酵素標識ＤＮＡのうちプローブＤＮＡ６１とハイブリダイズしなかったものをウェル４０内から除去する。

〔１０〕サンプルの検出
酵素標識ＤＮＡ６２の検出方法について図９を用いて説明する。
上記処理を行った生体高分子分析チップ１を分析装置７０にセッティングし、トップゲートドライバ７４、ボトムゲートドライバ７５及びドレインドライバ７６をＣＰＵ７１に接続し、ＣＰＵ７１を起動する。

次に、各ウェル４０に化学発光基質８１を含む溶液を注入する（図９）。化学発光基質８１を含む溶液を注入する前に各ウェル４０内に化学発光基質８１が泳動するためのバッファー溶液が入れられていてもよく、化学発光基質８１を含む溶液自体が泳動用のバッファー溶液を兼ねていてもよい。

スポット６０のプローブＤＮＡ６１に酵素標識ＤＮＡ６２がハイブリダイズしたウェル４０では、酵素標識ＤＮＡ６２を標識する酵素６３により化学発光基質８１が加水分解され、不安定な中間体を経て励起状態の蛍光体８２が生成される。励起状態の蛍光体８２が基底状態に遷移するときに蛍光（主に可視光波長域）が放出され、蛍光を発するスポット６０に対応するフォトセンサ２０に蛍光が入射して電子−正孔対が発生する。
その後、各フォトセンサ２０，２０，…のそれぞれの光量データを取得し、ＲＡＭ７２に記憶する。

〔１１〕光量データの取得
化学発光基質８１を含む溶液をウェル４０に注入してから、蛍光体が生成され、蛍光が検出されるまでには時間差が生じる。そこで、ＣＰＵ７１による以下の処理により、蛍光強度が最大となるときの光量データを取得する。

図１０は蛍光強度が最大となるときの光量データを取得する手順を示すフローチャートである。まず、ＣＰＵ７１を操作して、間隔をおいて発光検出を行うインターバル時間ｔ₁と、発光検出を行う最大時間ｔ₂（ｔ₁＜ｔ₂）をセットし、ＲＡＭ７２に記憶させる（ステップＳ１）。ここで、インターバル時間ｔ₁は、フォトセンサ２０による発光検出を行った後から再びフォトセンサ２０による発光検出を行うまでの時間であり、最大時間ｔ₂は、酵素６３により化学発光基質が加水分解され、生成した蛍光体から放出される蛍光量のピーク想定時間より長く、ピーク想定時間を超えて蛍光強度が減少するに至るまでの時間である。アルカリホスファターゼの場合、化学発光は概ね３０分以内に蛍光量のピークが生じるので、最大時間ｔ₂を３０分とし、インターバル時間ｔ₁は１分にセットする。
次に、ＣＰＵ７１は、まずｎ個のフォトセンサ２０がそれぞれ対応するn個のスポット６０の発光センシングを行い、その出力をＡ／Ｄ変換し、それぞれの値を蛍光強度に変換して光強度値Ａ₁〜Ａ_ｎをＲＡＭ７２に記憶する（ステップＳ２）。なお、本実施の形態では、スポット６０の数が４つであるので、ｎ＝４である。
ここで４つのスポット６０のうち１つをポジティブコントロールとして、ハイブリダイズによって生じる蛍光体とほぼ等量の蛍光体を固定化している。もう１つのスポット６０をネガティブコントロールとして一本鎖のプローブＤＮＡ６１を固定せず、残り二つのスポット６０に互いに異なる塩基配列の一本鎖のプローブＤＮＡ６１が多数集まった群集を固定化させる。
ネガティブコントロールのスポット６０に対応するフォトセンサ２０で受光強度をバックグラウンドノイズとして、プローブＤＮＡ６１が固定化されたスポット６０に対応するフォトセンサ２０で受光強度を比較し、ハイブリダイゼーションが起こっているかどうか判断する。
すなわち、ポジティブコントロールとなるスポット６０に対応する光強度値Ａ₁をＲＡＭ７２に記憶し、ネガティブコントロールとなるスポット６０に対応する光強度値Ａ₂をＲＡＭ７２に記憶し、プローブＤＮＡ６１が固定化されたスポット６０に対応する２つの光強度値Ａ₃、Ａ₄をＲＡＭ７２に記憶する。

次に、ＣＰＵ７１は、インターバル時間ｔ₁の経過を待つ（ステップＳ３）。その後、ＣＰＵ７１は、発光検出を行う最大時間ｔ₂に達したか否かを判断する（ステップＳ４）。ここで、発光検出を行う最大時間ｔ₂に達する後の場合、ピークが出るべき期間内に、ポジティブコントロールとなるスポット６０に対応する光強度値Ａ₁のピークを検出できなかったとみなして測定に問題が生じたことになり終了する。
発光検出を行う最大時間ｔ₂に達する前は（ステップＳ４→Ｎｏ）、ＣＰＵ７１は、インターバル時間ｔ₁の経過後、再びｎ個のフォトセンサ２０が発光センシングを行い、その出力をＡ／Ｄ変換後、さらに変換されたそれぞれの光強度値Ｂ₁〜Ｂ_ｎをＲＡＭ７２に記憶する（ステップＳ５）。ここで、光強度値Ａ₁〜Ａ_ｎに対応するスポット６０は、それぞれ光強度値Ｂ₁〜Ｂ_ｎに対応するスポット６０に一致する。

次に、前回の光強度Ａ₁＞インターバル後の光強度Ｂ₁であるか否かを判定する（ステップＳ６）。前回の光強度Ａ₁＞インターバル後の光強度Ｂ₁である場合には（ステップＳ６→Ｙｅｓ）、ＣＰＵ７１は、ポジティブコントロールとなるスポット６０の光強度がピーク時の各スポット６０の光強度値Ａ₁〜Ａ₄を最終的な光強度とみなす。
前回の光強度Ａ₁≦インターバル後の光強度Ｂ₁である場合には（ステップＳ６→Ｎｏ）、ＣＰＵ７１は、ポジティブコントロールとなるスポット６０の光強度がピーク時の各スポット６０の光強度値Ａ₁〜Ａ₄をそれぞれインターバル後の光強度値Ｂ₁〜Ｂ₄に置換し、ステップ３に戻り、前回の光強度Ａ₁＞インターバル後の光強度Ｂ₁となるまで繰り返される。

〔１２〕固体撮像デバイスの冷却
光量データを取得する間、固体撮像デバイス１０の温度が上昇することによりフォトセンサ２０の暗電流が増大するのを防ぐため、ノイズが増大し正確な光強度値を測定することが困難なため、ペルチェ素子３０により固体撮像デバイス１０を冷却する必要がある。
一方、化学発光基質８１の反応速度は温度に比例するため、ウェル４０内の温度を酵素６３が失活しない程度に高温に維持することが好ましい。

そこで、ＣＰＵ７１は、光量データを取得する間、ペルチェ素子３０に電力を供給することで、吸熱基板３２により固体撮像デバイス１０の熱を吸収し、排熱基板３１より放熱することで、熱伝導材３５を介してウェル４０内を加熱する。

このように、固体撮像デバイス１０を冷却することで、フォトセンサ２０の暗電流を減らすことができるとともに、ウェル４０内の温度を酵素６３が失活しない程度に高温に維持することで、化学発光基質８１の反応速度を上げることができる。

なお、ウェル４０内から固体撮像デバイス１０への熱伝導を妨げる程度に底板４１が充分厚く、熱伝導材３５からウェル４０内への伝熱を妨げない程度に側壁４２が充分薄いため、固体撮像デバイス１０とウェル４０内との温度差を維持することができる。

ここで、ペルチェ素子３０に印加する電圧をＶ、ペルチェ素子３０に流れる電流をＩ、ペルチェ素子の吸熱量をＱｃとすると、ペルチェ素子の放熱量Ｑｈは、以下の式で表される。
Ｑｈ＝Ｑｃ×Ｖ×Ｉ
なお、Ｑｃはペルチェ素子が熱を放出する排熱基板３１側の温度に比例する。

したがって、固体撮像デバイス１０の温度が高い場合には、ＣＰＵ７１は電圧を上昇させることで冷却強度を上昇させることができる。反対に、固体撮像デバイス１０の温度が低い場合には、ＣＰＵ７１は電圧を下降させることで冷却強度を低下させることができる。

作業者は、ＲＡＭ７２に記憶された各フォトセンサ２０，２０，…のそれぞれの光量データを出力装置７７により出力することで得られた画像データより、各スポット６０，６０，…におけるハイブリダイゼーションの有無を確認することができる。ハイブリダイゼーションが起きていれば、そのスポット６０のプローブＤＮＡ６１と相補的な塩基配列のｍＲＮＡが細胞検体内で発現していることがわかる。

＜変形例＞
なお、上記実施形態においては、生体高分子分析チップ１で分析する試料として、検体内で発現しているｍＲＮＡから逆転写酵素により合成されたＤＮＡを用いたが、検体内で発現している特定のタンパク質または糖鎖等を抗原と結合する抗体（以下、プローブ抗体という）をプローブとして用いてもよい。

具体的には、図１１に示すように、生体高分子分析チップ１の各ウェル４０にプローブ抗体６４を含む溶液を滴下し、乾燥してスポット６０を形成する。なお、各ウェル４０に滴下されるプローブ抗体６４はそれぞれ異なる抗原決定基を認識し、同じスポット６０を形成するプローブ抗体６４は同一の抗原決定基を認識する。このようなプローブ抗体６４として、モノクローナル抗体を用いることができる。

次に、サンプルとなる抗原６５を含む溶液（以下、サンプル溶液という）を各ウェル４０内に注入する。
プローブ抗体６４にサンプル溶液中の抗原６５が結合するのに充分な時間が経過した後、ウェル４０内のサンプル溶液をバッファー溶液で洗い流し、サンプル溶液中の抗原６５のうちプローブ抗体６４と結合しなかったものをウェル４０内から除去する。

次に、各ウェル４０に、プローブ抗体６４が認識するのと同じ抗原６５の異なる抗原決定基を認識する抗体６６を酵素６７で標識したもの（以下、酵素標識抗体という）の溶液（以下、酵素標識抗体溶液という）を注入する。
プローブ抗体６４に結合した抗原６５と酵素標識抗体６６とが結合するのに充分な時間が経過した後、ウェル４０内の酵素標識抗体溶液をバッファー溶液で洗い流し、酵素標識抗体溶液中の抗原６５のうちプローブ抗体６４と結合しなかったものをウェル４０内から除去する。
以後、第１実施形態の〔１０〕〜〔１２〕と同様にして、各ウェル４０に化学発光基質を含む溶液を注入し、分析装置７０による光量データの計測動作を行う。

プローブ抗体６４に抗原６５が結合し、酵素６７が標識化された酵素標識抗体６６が抗原６５に結合したウェル４０では、酵素６７により化学発光基質８１が加水分解され、中間体を経て励起状態の蛍光体８２が生成される。蛍光体８２から放出される蛍光は、フォトセンサ２０により検出される。

作業者は、ＲＡＭ７２に記憶された各フォトセンサ２０，２０，…のそれぞれの光量データを出力装置７７により出力することで得られた画像データより、各スポット６０，６０，…における抗原６５の有無を確認することができる。このため、ウェル４０内の抗体の種類により、検体内でどのような抗原が発現しているかを直接確認することができる。

＜第２の実施形態＞
図１２は本発明の第２の実施形態に係る生体高分子分析チップ１０１を示す側面図であり、図１３は図１２のXIII−XIII矢視断面図である。
本実施の形態では、ペルチェ素子１３０の排熱基板１３１と当接する放熱材（空冷フィン）１３７と、放熱材１３７に風を当てる空冷ファン１３８とが設けられている。また、吸熱基板１３２及び放熱材１３７には、温度計１９１，１９２が設けられている。なお、第１の実施形態と同様の構成については、下２桁に同符号を付して説明を割愛する。また、固体撮像デバイス１０、ウェル４０、スポット６０については、第１の実施形態と同様の構成であるので、説明を割愛する。

図１４は第２の実施形態に係る分析装置１７０の構成を示すブロック図である。分析装置１７０は、ＣＰＵ１７１、ＲＡＭ１７２、ＲＯＭ１７３、トップゲートドライバ１７４、ボトムゲートドライバ１７５、ドレインドライバ１７６、出力装置１７７、駆動回路７８を備え、さらに、空冷ファン１３８を回転させるモーター１７９を備える。

空冷ファン１３８はモーター１７９により駆動され、モーター１７９はＣＰＵ１７１により回転速度を調整される。温度計は例えばサーミスタであり、ＣＰＵ７１は、サーミスタの抵抗値（温度に比例）により吸熱基板１３２、放熱材１３７の温度を計測する。
ＣＰＵ１７１は第１の実施形態のＣＰＵ７１と同様の動作を行うとともに、温度計１９１，１９２の抵抗値より温度を算出するとともに、モーター１７９の回転数を制御する。

固体撮像デバイス１０の温度が低下しすぎると、結露が生じる。このため、これを防ぐために固体撮像デバイス１０を結露が生じない程度に冷却した一定温度に保つ必要がある。また、ウェル４０内の温度が高温になりすぎると、酵素６３，６７が失活するおそれがある。

そこで、本実施形態においては、空冷ファン１３８により排熱基板３１と当接する放熱材１３７に風を当てることで、排熱基板３１の熱が外部に放出されるのを促進し、ウェル４０内の温度が高温になるのを防止する。また、ペルチェ素子１３０に印加する電圧を調整することで、固体撮像デバイス１０の温度が低下しすぎるのを防止する。

図１５は、吸熱基板１３２及び放熱材１３７の温度に応じて、ペルチェ素子１３０に印加する電圧及び空冷ファン１３８の回転速度を調節するＣＰＵ１７１の動作を示すフローチャートである。
まず、ＣＰＵ７１は、空冷ファン１３８の回転速度を最低にセットする（ステップＳ２１）。次に、ＣＰＵ７１は、ペルチェ素子１３０に印加する電圧を上げて固体撮像デバイス１０を冷却させる（ステップＳ２２）。

その後、ＣＰＵ７１は、計測された吸熱基板１３２の温度に基づいて固体撮像デバイス１０を推定し、固体撮像デバイス１０が目標の冷却温度以下に低下したか否かの判断を行う（ステップＳ２３）。固体撮像デバイス１０の温度が目標の冷却温度に達していない場合には（ステップＳ２３→Ｎｏ）、ＣＰＵ７１はステップＳ２２に戻り、ペルチェ素子１３０に印加する電圧を上げ、さらに固体撮像デバイス１０を冷却する。

吸熱基板１３２の温度が目標の冷却温度に達した場合には（ステップＳ２３→Ｙｅｓ）、ＣＰＵ７１は、計測された放熱材１３７の温度に基づいてウェル４０内を推定し、ウェル４０内が目標の放熱温度より高いか否かの判断を行う（ステップＳ２４）。ウェル４０内の温度が目標の放熱温度より高い場合には（ステップＳ２４→Ｙｅｓ）、ＣＰＵ７１は、空冷ファン１３８の回転数を上昇させウェル４０内を冷却させて（ステップＳ２５）、ステップＳ２４に戻る。放熱材１３７の放熱によっての温度が目標の放熱温度以下になったら（ステップＳ２４→Ｎｏ）、ＣＰＵ７１は冷却動作を終了する。
以上の動作により、吸熱基板１３２の温度を目標の冷却温度まで下げることができるとともに、放熱材１３７の温度を目標の放熱温度以下まで下げることができる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の改良並びに設計の変更を行ってもよい。
例えば、上記実施の形態では、プローブとして既知の塩基配列の一本鎖ＤＮＡや抗体を用いたが、その他の既知の生体高分子や低分子等を用いてもよい。例えば、抗原となるペプチドやタンパク、糖鎖、低分子リガンド、既知の細胞等を用いてもよい。

本発明の実施形態に係る生体高分子分析チップ１の概略平面図である。 図１のII矢視方向から見た側面図である。 図１のIII−III線に沿った矢視断面図である。 固体撮像デバイス１０のフォトセンサ２０を示す平面図である。 図４のV−V矢視断面図である。 分析装置７０の構成を示すブロック図である。 酵素標識ＤＮＡ６２をプローブＤＮＡ６１とハイブリダイゼーションさせる方法の説明図である。 酵素標識ＤＮＡ６２をプローブＤＮＡ６１とハイブリダイゼーションさせる方法の説明図である。 酵素標識ＤＮＡ６２の検出方法の説明図である。 蛍光強度が最大となるときの光量データを取得する手順を示すフローチャートである。 抗原６５の検出方法の説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る生体高分子分析チップ１０１を示す側面図である。 図１２のXIII−XIII矢視断面図である。 分析装置１７０の構成を示すブロック図である。 ＣＰＵ１７１の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１，１０１ 生体高分子分析チップ
２ 撮像装置
１０ 固体撮像デバイス
３０ ペルチェ素子
３１ 排熱基板
３２ 吸熱基板
３３ ｐ型半導体
３４ ｎ型半導体
３５ 熱伝導材
４０ ウェル
６０ スポット
６１ プローブＤＮＡ
６２ 酵素標識ＤＮＡ
６３，６７ 酵素
６４ プローブ抗体
６５ 抗原
６６ 酵素標識抗体

Claims (7)

1. 光電変換素子を有する固体撮像デバイスと、
   前記光電変換素子の受光面側に配置されるウェルと、
   前記固体撮像デバイスの熱を前記ウェルに移動させる温度調整素子と、を備えることを特徴とする撮像装置。
2. 前記温度調整素子は、前記ウェルが配置される開口を有する吸熱基板と、前記ウェルが配置される開口を有し前記吸熱基板と対向配置される排熱基板と、
   前記吸熱基板と前記排熱基板との間に挟持され、通電されることにより前記吸熱基板から前記排熱基板に熱を移動させる半導体と、を備え、
   前記吸熱基板は前記固体撮像デバイスを吸熱し、
   前記排熱基板は前記ウェルに排熱することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記排熱基板と当接し前記排熱基板の熱を外部に放出する放熱材をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
4. 前記放熱材を冷却する空冷ファンをさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の撮像装置と、前記ウェル内に設けられ、特定の生体高分子と結合するプローブとを備えることを特徴とする生体高分子分析チップ。
6. 前記プローブは既知の塩基配列を含む一本鎖ＤＮＡを有することを特徴とする請求項５に記載の生体高分子分析チップ。
7. 前記プローブは特定の抗原と結合する抗体であることを特徴とする請求項５に記載の生体高分子分析チップ。

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