JP2009264821A - 生体物質測定チップ及びそれを用いた発光測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スポットと光電子増倍管との位置決め精度を向上させ、感度よくスポットの発光を検出できる生体物質測定チップ及びそれを用いた発光測定装置を提供する。
【解決手段】基板上に生体試料を測定するため測定スポットを連ねた測定スポット列と、
前記測定スポット列の両側に位置あわせスポットを備えた生体物質測定チップを用いた発光測定装置において、前記生体物質測定チップ上の前記測定スポットを検出するための検出手段と、前記検出手段を移動するための移動ステージと、前記位置あわせスポットに光を照射する回転光源と、前記位置あわせスポット上の前記回転光源による光強度分布により中心座標を計算する中心座標演算部と、前記移動ステージを前記測定スポットに移動する際に予め与えられた測定スポットの座標に前記中心座標を加算するステージ制御部とからなる発光測定装置。
【選択図】図２

Description

本発明は、発光標識剤の発光量を測定する生体物質測定チップ及びそれを用いた発光測定装置に関するものである。より詳細には、生体物質測定チップと発光測定装置の位置決め精度を向上する技術に関する。

従来のＤＮＡマイクロアレイは、基板表面上に光学検出が可能なスポットがマトリックス状に形成されているスポット領域とその近辺に配置された複数の位置マークをＣＣＤカメラによって同時に画像データとして記録し、その画像データ中の位置マークを検出することで、位置マークと相対関係にあるスポット領域の位置ずれを認識し補正している（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００５−１７２８４０号公報

しかしながら、前記従来の構成では、ＤＮＡマイクロアレイ上の複数のスポット領域と基準マークとをＣＣＤカメラにて画像取得し個々のスポット領域を判別しているので光の利用効率が悪い。そのため個々のスポットに対応した光電子増倍管を配置すればよいがスポットと光電子増倍管との位置決め精度を良くしないと感度が良くないという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、スポットと光電子増倍管との位置決め精度を向上させ、感度よくスポットの発光を検出できる生体物質測定チップ及びそれを用いた発光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、本発明の生体物質測定チップ及びそれを用いた発光測定装置は、基板上に生体試料を測定するため測定スポットを連ねた測定スポット列と、前記測定スポット列の両側に位置あわせスポットを備えたことを特徴としたものである。
また、本発明の生体物質測定チップ及びそれを用いた発光測定装置は、請求項１に記載の生体物質測定チップを用いた発光測定装置において、前記生体物質測定チップ上の前記測定スポットを検出するための検出手段と、前記検出手段を移動するための移動ステージと、
前記位置あわせスポットに光を照射する回転光源と、前記位置あわせスポット上の前記回転光源による光強度分布により中心座標を計算する中心座標演算部と、前記移動ステージを前記測定スポットに移動する際に予め与えられた測定スポットの座標に前記中心座標を加算するステージ制御部とからなることを特徴としたものである。

本発明の生体物質測定チップ及びそれを用いた発光測定装置によれば、測定スポットの中心と光電子増倍管の中心の位置あわせをすることができるので、光量の利用効率を上げることができる。

以下に、本発明の位置検出手段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）
本発明は、ＬＥＤの光を位置あわせスポットに照射し、そこからの透過光の光強度分布を光電子増倍管で計測することによって光のピークを検出し位置あわせスポットの中心とするものである。

図１は、本発明の第１の実施の形態における生体物質測定チップの平面図を示す。図１において、生体物質測定チップ１０の基板１１上にはＤＮＡやタンパク質などの生体物質を測定するスポットである電極１３が８個、９ｍｍ間隔で形成されている。この電極１３の中心にある作用極１５のそれぞれのスポット中心は列方向に一致している。電極１３の両端には位置あわせスポット１２が設けられている。この位置あわせスポット１２と電極１３の中心は列方向で一致している。位置あわせスポット１２は中心に光を透過するための円環の孔１４が設けられており、ここからの透過光を検知することによって位置あわせスポットが認識できるように形成されている。そのため、生体物質測定チップ１０の基板１１は光を透過するような透明な材料、例えばガラスでなければならない。

また、位置あわせスポット１２の孔１４以外の部分は、透過光を遮蔽できるものであれば良い。この位置あわせスポット１２と電極１３は、ガラス製の基板１１上にチタン１０ｎｍを下地に金２００ｎｍを形成し、フォトリソグラフィ工程により電極パターンが形成されている。位置あわせスポット１２及び電極１３は同一のスパッタ装置（アルバック製ＳＨ−３５０）により連続で形成されているため、互いの位置関係が精度良く規定されている。

図２は、生体物質測定チップ１０を読み取るための発光測定装置の構成を示す図である。図２（ａ）は発光測定器の全体構成図を示し、図２（ｂ）は、図２（ａ）の丸で囲んだ詳細図を示す。図２（ａ）において、先程図１で説明した生体物質測定チップ１０の上側には、電極１３の電気化学発光を光学的に検出するための光学ユニット２２と、実際に光を受光し光の光量をパルス信号に変換して出力する光電子増倍管２１がある。光電子増倍管２１のパルス信号は光電子増倍管カウンタ２５を用い一定時間間隔でカウントし、カウント値データを光の強度として中心位置演算部４０の記録部に順次記憶する。中心座標演算部４０の構成は図４で詳細に説明する。

本発明のカウント間隔は１００ｍｓに設定し、１００ｍｓ単位でカウントして１００ｍｓ間に発生したパルス数をカウント値データとした。光電子増倍管２１のパルス分解能の幅は出力パルスの最小周期である７０ｎｓに設定しており、１００ｍｓ間の最大パルス数は１４２８５７０個であるため、光電子増倍管カウンタ２５には２１ビットのものを採用している。

この光電子増倍管２１は、列方向の移動手段として列方向ステージ２３に備え付けられており、この列方向ステージ２３と直行する行方向の移動手段として、列方向ステージ２３を行方向ステージ２４に固定することで、生体物質測定チップ１０の上を光電子増倍管２１が行列方向に走査できる。これらの行列方向のステージは、ステージコントローラ２６、２７によって中心位置演算部４０のステージ制御部で制御される。

生体物質測定チップ１０は、テーブル３１に設置される。図２（ｂ）においてテーブル３１には、生体物質測定チップ１０の位置あわせスポット１２を下側から照射するようにＬＥＤ３２が取付けられている。ＬＥＤ３２を回転させる機構として、ＬＥＤ３２はＬＥＤ基板３３に貼り付けられており、ＬＥＤ基板３３はブシュ３４に固定されている。

テーブル３１にはベアリング３５が取付けられており、先に述べたブシュ３４とベアリング３５の内輪を連結されることによって、ＬＥＤ３２が回転することが可能である。ＬＥＤ３２を回転させる手段として、歯車３９が取付けられたステッピングモータ３７がフランジ３８でテーブル３１に固定されており、ＬＥＤ基板３３には歯車３６が取付けてある。これらの歯車３６、３９を噛み合わせることで、ステッピングモータ３７の回転をＬＥＤ３２の回転として伝達させることができる。

ステッピングモータ３７の回転はモータドライバ２８、２９で中心位置演算部４０のモータ制御部で制御される。本発明では、光電子増倍管カウンタ２５のカウント間隔が１００ｍｓであることから、１００ｍｓでＬＥＤが一周できるよう、モータの回転数は６００ｒｐｍで制御している。

図３（ａ）は、位置あわせスポット１２とＬＥＤ３２と透過光を受光する光電子増倍管２１の受光面の配置を示した概略図である。ＬＥＤ３２の光を位置検出スポット１２へ照射し、位置検出スポット１２の孔１４からの透過光をステージ２３、２４にて受光面を走査し受光している。そのときの列方向に受光した結果を図３（ｂ）に示す。図３（ｂ）は、位置あわせスポット１２の上を列方向に光電子増倍管２１を走査したときの、光の出力値と座標の関係を表したグラフである。

ここで、ＬＥＤ３２が正常に取付けられている場合、光の出力値の結果は図３（ｂ）の正常時のように中心軸を光のピークとした対称な強度分布を示す。しかし、ＬＥＤ３２の発光面が傾きをもっていた場合、図３（ｂ）の異常時のように中心軸と光のピーク値の位置にズレが生じる。そのため、この光のピーク位置を位置あわせスポット１２の中心位置としたのでは、実際の中心とズレが生じるので、電極１３と光電子増倍管２１の中心を正確に合せることができない。

そこで図３（ｃ）で示すように、ＬＥＤ３２を中心軸で回転しながら光の強度分布を計測した結果を図３（ｄ）に示す。図３（ｄ）に示すように、光の強度分布が中心軸で対称となる。スポットの中心位置１６を検出し位置あわせスポット１２の中心を求める具体的方法を以下に詳細に説明する。

図４は、位置あわせスポット１２の中心位置を検出する中心座標演算部４０の構成を示す。ステージ制御部４５に入力された座標位置に従い、光電子増倍管カウンタ２５は、位置あわせスポット１２上に移動する。その後、ステージ制御部４５に入力された座標位置に従い光電子増倍管カウンタ２５は、位置あわせスポット１２の中心を含む位置あわせスポット１２全体の光強度を測定し、この光強度を電子増倍管カウンタ２５の座標位置とともに座標記憶部４１に格納する。Ｘ方向演算部４３とＹ方向演算部４２は、それぞれ座標記憶部４１に格納された座標と光強度の情報を元に、Ｘ方向とＹ方向の中心値を求める。ＸＹ方向についてそれぞれ求められた中心値は、中心位置記憶手段４４に送られる。ステージ制御部４５は、光電子増倍管カウンタ２５を測定スポットに移動するときに、ステージ制御信号５１に中心位置記憶手段４４に格納された中心値を加算してＸステージコントローラ２６とＹステージコントローラ２７に出力する。

図５は位置あわせスポットの中心位置を求めるフローを示す。図２〜４で説明した機能ブロックの具体的な動作について、中心位置を求めるフローのステップ毎に説明する。ステップＳ１において、位置あわせスポット１２を照明するために、中心座標演算部４０の出力ポートを動作させてＬＥＤ３２を点灯させる。

ステップＳ２において、ＬＥＤ３２を光電子増倍管カウント２５のカウント間隔１００ｍｓで一周させるために、中心座標演算部４０からの指令に基づきモータドライバ２９を動作させてステッピングモータ３７を６００ｒｐｍで回転させる。ステップＳ３において、位置あわせスポット１２の上を光電子増倍管２１で走査するために、中心座標演算部４０のステージ制御部４５からの指令に基づき、Ｘステージコントローラ２６及びＹステージコントローラ２７を介して、Ｙ方向ステージ２３及びＸ方向ステージ２４を動作させて光電子増倍管２１を位置あわせスポット１２上へ移動する。

ステップＳ４において、位置あわせスポット１２の周辺のＬＥＤ３２の透過光の強度分布を測定するために、中心座標演算部４０のステージ制御部４５で走査範囲と走査間隔をＸ及びＹステージコントローラ２６、２７に送信し、ステージ２３、２４を動作させ、光電子増倍管２１を位置あわせスポット１２上で順次走査し、光電子増倍管カウンタ２５のカウント値を測定する。そのときのステージ２３、２４の座標位置と光電子増倍管カウンタ２５のカウント値を中心座標演算部４０の座標記憶部４１に記憶する。

ステップＳ５において、先程座標記憶部４１に記憶した座標値とカウント値をもとに、位置あわせスポット１２と光強度分布の列方向のズレ量を演算する。ステップＳ６において、座標記憶部４１に記憶した座標値とカウント値をもとに、位置あわせスポット１２と光強度分布の行方向のズレ量を演算する。ステップＳ５とステップＳ６についてのズレ量を計算する方法は後に詳述する。

ステップＳ７では、ステップＳ５及びステップＳ６で求めたズレ量をもとに、中心座標演算部４０の中心位置記憶部４４に位置あわせスポット１２の中心位置として記憶する。このステップを両サイドの位置あわせスポット１２で行い、相対座標位置を演算することで各電極１３の座標位置が分かる。

さて、ステップＳ５とステップＳ６で行う中心座標のズレを求める演算方法について、図６を用いて詳細に説明する。図６において、列方向ステージ２３及び行方向ステージ２４の走査方向をそれぞれＸ軸及びＹ軸とする２次元直交座標（Ｘ，Ｙ）で設定する。このときステップＳ４で測定した光強度分布の測定点を（ｉ，ｊ）で表し、カウント値をＤ（ｉ，ｊ）とする。ここで、まずＸ軸方向の中心位置を検出する方法について説明する。Ｙ軸方向に加算した結果をＡ１，Ａ２，・・・ＡｎとしたときＹ軸方向に走査した光強度の総和ＳｕｍＡは数１で表される。

次に、補正を行うためのＸ方向の重み成分としてＸ方向の座標位置を先程の加算した結果のＡ１，Ａ２，・・・Ａｎに積算した結果の総和ＳｕｍＡＸは数２で表される。

このことから、数２の結果を数１の結果で除算することでＸ方向のズレ量Ｘｇが数３より求められ、

数３でもとめられＸ方向の測定開始点Ｘ０に加算することで位置あわせスポット１２のＸ方向の中心位置が数４で求められる。

また、Ｙ軸方向の中心位置を検出する方法について説明する。Ｙ軸方向に加算した結果をＢ１，Ｂ２，・・・ＢｎとしたときＹ軸方向に走査した光強度の総和ＳｕｍＢは数５で表される。

次に、補正を行うためのＹ方向の重み成分としてＹ方向の座標位置を先程の加算した結果のＢ１，Ｂ２，・・・Ｂｎに積算した結果の総和ＳｕｍＢＹは数６で表される。

このことから、数６の結果を数５の結果で除算することでＹ方向のズレ量Ｙｇが数７より求められ、

数７で求められたＹ方向のズレ量を、Ｙ方向の測定開始点Ｙ０に加算することで位置あわせスポット１２のＹ方向の中心位置が数８で求められる。

本発明では、行列方向に±４ｍｍの範囲を０．４ｍｍ間隔で行ったため、２１列×２１行の４４１個のカウント値とそのときの座標をカウント値及び座標記憶部４１に記憶し演算を行っている。

以上のように、実施の形態１で示したように、両端の位置あわせスポット１２の中心を求めることができるので、そこから相対関係にある電極１３と光電子増倍管２１の中心を精度良く位置あわせすることができ、電極１３の発光の光量の利用効率が上がる。

本発明にかかる生体物質測定チップ及びそれを用いた発光測定装置は、測定スポットの中心と光電子増倍管の中心の位置あわせをすることができるので、光量の利用効率を上げる効果を有し、生体物質測定チップと発光測定装置の位置決め精度を向上する技術に関する用途として有用である。

本発明の実施の形態１における生体物質測定チップの平面図 本発明の実施の形態１における発光測定装置の構成図 本発明の実施の形態１における位置あわせスポットとＬＥＤの概略図 本発明の実施の形態１における中心座標演算部のブロック図 本発明の実施の形態１における中心位置を求めるフローチャート 列方向ステージ２３及び行方向ステージ２４の走査方向をそれぞれＸ軸及びＹ軸とする２次元直交座標を示す図

符号の説明

１０ 生体物質測定チップ
１１ 基板
１２ 位置あわせスポット
１３ 電極
１４ 孔
１５ 作用極
１６ スポットの中心位置
２１ 光電子増倍管
２２ 光学ユニット
２３ 列方向ステージ
２４ 行方向ステージ
２５ 光電子増倍管カウンタ
２６ Ｘステージコントローラ
２７ Ｙステージコントローラ
２８ モータドライバ１
２９ モータドライバ２
３１ テーブル
３２ ＬＥＤ
３３ ＬＥＤ基板
３４ ブッシュ
３５ ベアリング
３６ ＬＥＤ基板の歯車
３７ ステッピングモータ
３８ フランジ
３９ ステッピングモータ歯車
４０ 中心座標演算部
４１ 座標記憶部
４２ Ｙ方向演算部
４３ Ｘ方向演算部
４４ 中心位置記憶部
４５ ステージ制御部
５０ 発光面の傾き
５１ ステージ制御信号

Claims (9)

1. 基板上に生体試料を測定するため測定スポットを連ねた測定スポット列と、
   前記測定スポット列の両側に位置あわせスポットを備えた生体物質測定チップ。
2. 前記測定スポットの中心と前記位置あわせスポットの中心が一致している請求項１記載の生体物質測定チップ。
3. 前記位置合せスポット形状が円環状である請求項１記載の生体物質測定チップ。
4. 前記基板は、光を透過することができる透明な材質である前記生体物質測定チップ。
5. 請求項１に記載の生体物質測定チップを用いた発光測定装置において、
   前記生体物質測定チップ上の前記測定スポットを検出するための検出手段と、
   前記検出手段を移動するための移動ステージと、
   前記位置あわせスポットに光を照射する回転光源と、
   前記位置あわせスポット上の前記回転光源による光強度分布により中心座標を計算する中心座標演算部と、
   前記移動ステージを前記測定スポットに移動する際に予め与えられた測定スポットの座標に前記中心座標を加算するステージ制御部とからなる発光測定装置。
6. 前記検出手段は、光電子増倍管である請求項５に記載の発光測定装置。
7. 前記回転光源は、ＬＥＤによる光源を有し前記ＬＥＤの中心を軸として回転する手段を持つ請求項５に記載の発光測定装置。
8. 前記中心座標演算部は、
   前記検出手段を前記測定スポットの中心を含めてＸＹ方向に所定の単位毎に移動するＸＹ移動手段と、
   前記ＸＹ移動手段で定められたＸＹ座標ごとに前記回転光源による光強度を測定して前記ＸＹ座標と前記光強度との組を格納するための座標記憶部と、
   前記座標記憶部からＸ方向の中心値を求めるＸ方向演算部と、
   前記座標記憶部からＹ方向の中心値を求めるＹ方向演算部と、
   前記Ｘ方向の中心値と前記Ｙ方向の中心値とがなす座標を測定中心座標としてその値を格納する中心位置記憶部とからなる請求項５に記載の発光測定装置。
9. 前記ステージ制御部は、
   前記検出手段を前記測定スポットに移動する際に、
   予め与えられた前記測定スポットの座標に前記中心位置記憶部に測定中心座標を加算して出力する請求項８に記載の発光測定装置。

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