JP2009270931A - Observation device of single nucleic acid molecule - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、核酸分析装置に関し、例えば、解析を行なうための反応デバイス上で発生する蛍光を観測し、その蛍光輝点輝度に基づいて核酸やタンパク質などの分析を行なう遺伝子診断/解析装置などの核酸分析装置に関する。 The present invention relates to a nucleic acid analyzer, for example, a genetic diagnosis / analyzer for observing fluorescence generated on a reaction device for performing analysis and analyzing nucleic acid, protein, etc. on the basis of the fluorescence bright spot luminance. The present invention relates to a nucleic acid analyzer.
生体中の微量物質を測定することで、病気の診断をする技術の開発が進んでいる。
その測定方法として、例えば、生体組織中の複数の遺伝子のmRNAの発現量変化や遺伝子の突然変異について解析するために、cDNAやオリゴ断片をプローブとしたマイクロアレイを用いて測定を行うことを特徴とする核酸のハイブリダイゼーション技術がある。また、生体組織や血清中のタンパク性分子の量を抗体やペプチドをプローブとしたプロテインアレイを用いて測定する技術が開発されている。
Development of technology for diagnosing diseases by measuring trace substances in living bodies is advancing.
As its measurement method, for example, in order to analyze the change in the expression level of mRNA of a plurality of genes in a biological tissue or mutation of a gene, the measurement is performed using a microarray using cDNA or oligo fragment as a probe. There are techniques for nucleic acid hybridization. In addition, a technique for measuring the amount of protein molecules in living tissue or serum using a protein array using antibodies or peptides as probes has been developed.
上記測定により得られた分析対象物質の検出方法についても、最近の技術開発に対応すべく用途に応じたいくつかの方法があり、それぞれに工夫がなされている。たとえば、特許文献1において迅速かつ簡便で高感度な分析対象物質の検出方法を提供することを目的とし、取り扱うサンプル量が微量の場合であっても、解析結果に定量性が担保される方法を提供する分析対象物質の検出方法が考えられている。その方法とは、標識された分析対象物質に由来する信号の強度測定を当該信号の強度の増加中に経時的に行い、当該信号の強度を時間の関数で表し、当該測定した信号の強度を予め定めておいた値と比較し、当該値に達したときの信号の強度を用いて定量を行うものである。
There are several methods for detecting the substance to be analyzed obtained by the above-described measurement according to the application in order to cope with recent technological development, and each has been devised. For example, in
また、特許文献2において、大規模な配列データを高速に処理可能とするため、cDNA配列をゲノム配列上に高速にマッピングする方法がある。
In
しかしながら、特許文献2に記載の方法を用いた場合、k-merの単調増加の式を満足させるためには、マッピングによる目的の蛍光発光以外の蛋白質系のゴミの発光、分離した蛍光物質による発光などの不要情報も増加してしまう。この場合、目的サンプルの発光強度を観察する際に、これらの不要情報に由来する発光が混在してしまうため、発光時間のずれや発光強度の不安定さを招き、それによって計測データに時間のずれ、コンタミネーションなどの擬似信号が発生し、分析精度が低下する。すなわち、分析精度の低下によって再度分析を行う必要が生じ、分析時間の増加につながる原因にもなる。
However, when the method described in
また、単分子型DNA検査においては、一度に大量のサンプル解析を行うことが一般的であり、分析処理の如何によって処理速度が大きく左右される。
以上より、特に単分子型DNA検査においては、目的の信号のみを峻別できる処理が求められる。
In single molecule DNA testing, it is common to analyze a large number of samples at once, and the processing speed depends greatly on the analysis process.
As described above, particularly in single-molecule DNA testing, a process capable of distinguishing only a target signal is required.
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、計測データに含まれる擬似信号などから目的の単一発光のみを抽出することで観測データの分精製度を向上させることができる核酸分析装置を提供するものである。 The present invention has been made in view of the above problems, and provides a nucleic acid analyzer capable of improving the degree of purification of observation data by extracting only a single target light emission from a pseudo signal or the like included in measurement data. It is to provide.
上記問題を解決するために、本発明の装置では、発光強度の時系列変化を用いることで、目的の発光強度を抽出する手段を提供する。 In order to solve the above problem, the apparatus of the present invention provides means for extracting a target light emission intensity by using a time-series change of the light emission intensity.
即ち、本発明の核酸分析装置は、蛍光標識された反応デバイスに励起光を照射するための光源と、該光源によって励起された前記反応デバイスからの発光強度を捕らえるための検出器と、該検出器によって捕らえられた発光強度信号をデータ解析するための分析ユニットと、を備えた単一核酸分子観察装置であって、前記分析ユニットは、前記検出器によって捕らえられた発光強度信号を時系列順に取得した発光強度計測データを作成する、時系列データ作成手段と、前記発光強度に関する複数の発光強度教師データを備え、各発光強度教師データと前記発光強度計測データとの相関を表す発光強度相関係数を算出する、発光強度相関係数算出手段と、前記発光強度相関係数に基づいて、前記発光強度計測データを前記複数の発光強度教師データのいずれか1つに特定する、特定手段と、を有する。 That is, the nucleic acid analyzer of the present invention comprises a light source for irradiating a fluorescently labeled reaction device with excitation light, a detector for capturing the emission intensity from the reaction device excited by the light source, and the detection A single nucleic acid molecule observation device comprising: an analysis unit for analyzing the luminescence intensity signal captured by the detector; and the analysis unit chronologically analyzes the luminescence intensity signal captured by the detector. A time-series data creating means for creating the obtained emission intensity measurement data, and a plurality of emission intensity teacher data relating to the emission intensity, and an emission intensity phase relationship representing a correlation between each emission intensity teacher data and the emission intensity measurement data A light emission intensity correlation coefficient calculating means for calculating the number, and the light emission intensity measurement data is converted into the plurality of light emission intensity teacher data based on the light emission intensity correlation coefficient. Identifying any one of data, having a specifying means.
この場合において、前記時系列データ作成手段は、作成した前記発光強度計測データの統計情報を計算し、前記発光強度相関係数算出手段は、前記発光強度の統計情報に関する複数の発光強度教師データを備え、各発光強度の統計情報に関する教師データと前記発光強度計測データとの統計情報との相関を表す発光強度統計相関係数を算出し、前記特定手段は、前記発光強度統計相関係数に基づいて、前記発光強度計測データの統計情報を前記複数の統計情報に関する発光強度教師データのいずれか1つに特定する、ことを特徴としてもよい。 In this case, the time series data creation means calculates statistical information of the created emission intensity measurement data, and the emission intensity correlation coefficient calculation means includes a plurality of emission intensity teacher data related to the emission intensity statistical information. And calculating a light emission intensity statistical correlation coefficient representing a correlation between the teacher data regarding the statistical information of each light emission intensity and the statistical information of the light emission intensity measurement data, and the specifying means is based on the light emission intensity statistical correlation coefficient Then, the statistical information of the emission intensity measurement data may be specified as any one of the emission intensity teacher data related to the plurality of statistical information.
または、前記発光強度相関係数算出手段は、各発光強度教師データと前記発光強度計測データとの相関を表す発光強度相関係数を時系列に逆順に算出し、前記特定手段は、時系列に逆順に算出した前記発光強度相関係数に基づいて、前記発光強度計測データを前記複数の発光強度教師データのいずれか1つに特定する、ことを特徴としてもよい。 Alternatively, the emission intensity correlation coefficient calculating means calculates emission intensity correlation coefficients representing the correlation between each emission intensity teacher data and the emission intensity measurement data in reverse order in time series, and the specifying means in time series The emission intensity measurement data may be specified as any one of the plurality of emission intensity teacher data based on the emission intensity correlation coefficient calculated in reverse order.
または、前記発光強度計測データが複数の異なる発光強度信号を含む場合、前記特定手段は、前記発光強度相関係数に基づいて、前記発光強度計測データに含まれる各々の複数の異なる発光強度信号を各々の前記発光強度教師データに特定する、ことを特徴としてもよい。 Alternatively, when the luminescence intensity measurement data includes a plurality of different luminescence intensity signals, the specifying unit obtains a plurality of different luminescence intensity signals included in the luminescence intensity measurement data based on the luminescence intensity correlation coefficient. Each of the emission intensity teacher data may be specified.
または、前記発光強度計測データが不要情報を含む場合、前記時系列データ作成手段は、作成した前記発光強度計測データの統計情報を計算し、前記発光強度相関係数算出手段は、不要情報の統計情報に関する複数の発光強度教師データを備え、各不要情報の統計情報に関する発光強度教師データと前記発光強度計測データの統計情報の相関を表す発光強度統計相関係数を算出し、前記特定手段は、前記発光強度相関係数に基づいて、前記発光強度計測データに含まれる不要情報を前記複数の不要情報の統計情報に関する発光強度教師データのいずれか1つに特定し、前記不要情報を含む発光強度計測データから輝点データのみを抽出することを特徴としてもよい。 Alternatively, when the emission intensity measurement data includes unnecessary information, the time-series data creation means calculates statistical information of the created emission intensity measurement data, and the emission intensity correlation coefficient calculation means calculates unnecessary information statistics. A plurality of emission intensity teacher data relating to information, calculating emission intensity statistical correlation coefficients representing correlation between emission intensity teacher data relating to statistical information of each unnecessary information and statistical information of the emission intensity measurement data; Based on the emission intensity correlation coefficient, unnecessary information included in the emission intensity measurement data is specified as any one of emission intensity teacher data regarding statistical information of the plurality of unnecessary information, and the emission intensity including the unnecessary information Only the bright spot data may be extracted from the measurement data.
または、前記発光強度相関係数算出手段は、塩基配列に関する複数の塩基配列教師データを備え、各塩基配列教師データと前記発光強度計測データとの信頼性情報を算出し、前記特定手段は、前記信頼性情報に基づいて、前記発光強度計測データを前記複数の塩基配列教師データのいずれか1つに特定することを特徴としてもよい。 Alternatively, the light emission intensity correlation coefficient calculating means includes a plurality of base sequence teacher data relating to a base sequence, calculating reliability information between each base sequence teacher data and the light emission intensity measurement data, and the specifying means includes the The emission intensity measurement data may be specified as any one of the plurality of base sequence teacher data based on reliability information.
または、さらに、前記発光強度計測データの統計的情報を計算し、該統計的情報に基づいて発光強度計測データのうち不要データを削除する、時系列統計情報を用いた不要情報削除手段と、を有することを特徴としてもよい。 Or, further, statistical information of the emission intensity measurement data is calculated, unnecessary data is deleted from the emission intensity measurement data based on the statistical information, unnecessary information deletion means using time series statistical information, It may be characterized by having.
または、さらに、前記発光強度データから波長情報を取得し、該波長情報に基づいて発光強度計測データのうち不要データを削除する、波長情報を用いた不要情報削除手段と、を有することを特徴としてもよい。 Or, further, there is provided unnecessary information deleting means using wavelength information, which acquires wavelength information from the emission intensity data and deletes unnecessary data from the emission intensity measurement data based on the wavelength information. Also good.
または、さらに、前記発光強度計測データの統計的情報を計算し、該統計的情報に基づいて発光強度計測データのうち不要データを削除する、時系列統計情報を用いた不要情報削除手段と、前記発光強度データから波長情報を取得し、該波長情報に基づいて発光強度計測データのうち不要データを削除する、波長情報を用いた不要情報削除手段と、を有することを特徴としてもよい。 Or, further, calculate statistical information of the emission intensity measurement data, and delete unnecessary data from the emission intensity measurement data based on the statistical information, unnecessary information deletion means using time-series statistical information, and There may be provided unnecessary information deletion means using wavelength information, which acquires wavelength information from the emission intensity data and deletes unnecessary data from the emission intensity measurement data based on the wavelength information.
または、さらに、単一核酸分子観察装置の測定条件を記憶し、該測定条件を読み出し、該読み出された測定条件を用いて単一核酸分子観察装置の測定条件を自動調整する、自動調整手段と、を有することを特徴としてもよい。 Or, further, automatic adjustment means for storing the measurement conditions of the single nucleic acid molecule observation apparatus, reading the measurement conditions, and automatically adjusting the measurement conditions of the single nucleic acid molecule observation apparatus using the read measurement conditions It is good also as having.
または、前記自動調整手段は、流路に洗浄液を流しクリーニングすることにより、測定条件を自動調整することを特徴としてもよい。 Alternatively, the automatic adjustment means may automatically adjust the measurement conditions by flowing a cleaning liquid through the flow path for cleaning.
または、前記自動調整手段は、流路に紫外線を照射しクリーニングすることにより、測定条件を自動調整することを特徴としてもよい。 Alternatively, the automatic adjustment means may automatically adjust the measurement conditions by irradiating the flow path with ultraviolet rays and cleaning.
または、前記自動調整手段は、サンプル濃度あるいは試薬濃度を変更することにより、測定条件を自動調整することを特徴としてもよい。 Alternatively, the automatic adjustment means may automatically adjust the measurement conditions by changing the sample concentration or reagent concentration.
または、前記自動調整手段は、露光時間、検出器感度、励起光強度の少なくとも1つを変更することにより、測定条件を自動調整することを特徴としてもよい。 Alternatively, the automatic adjustment means may automatically adjust the measurement conditions by changing at least one of exposure time, detector sensitivity, and excitation light intensity.
または、さらに、警告および指示の少なくとも1つをユーザに提示する、警告指示手段と、を有することを特徴としてもよい。 Alternatively, it may further include warning instruction means for presenting at least one of a warning and an instruction to the user.
または、前記警告指示手段は、単一核酸分子観察装置の動作、特定の音、LEDの点灯、消灯、表示装置に図や文字で表示、のうちの少なくとも1つを実行することを特徴としてもよい。 Alternatively, the warning instruction means may execute at least one of an operation of a single nucleic acid molecule observation device, a specific sound, LED lighting / extinguishing, and display on a display device with a figure or a character. Good.
本発明の分析方法は、単一発光のみを抽出することができ、計測データに時間のずれ、コンタミネーションなどの擬似信号を低減する効果がある。 The analysis method of the present invention can extract only a single light emission, and has an effect of reducing pseudo signals such as time lag and contamination in measurement data.
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。ただし、本実施形態は本発明を実現するための一例にすぎず、本発明の技術的範囲を制限するものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, this embodiment is merely an example for realizing the present invention, and does not limit the technical scope of the present invention.
<装置構成>
図1に示すように、本実施形態の単一核酸分子観察装置は、検出対象を装置に導入するオートサンプラユニット101、導入する流れを作り出すためのポンプユニット102、蛍光標識のついた測定対象を固定する反応ユニット105、蛍光標識を励起光によって励起する照射ユニット106、蛍光の発光強度を捕らえる検出ユニット107、検出ユニット107の出力を比較する分析ユニット108、警告指示操作ユニット110、の7個のブロックから構成される。
<Device configuration>
As shown in FIG. 1, the single nucleic acid molecule observation apparatus of this embodiment includes an
オートサンプラユニット101は試料導入部701、試料導入端702、試料移動部703、サンプル容器704、バッファ容器705、試薬容器706、洗浄容器707から構成されている。試料導入部701には試料導入端702がある。サンプル容器704は、複数の微量測定対象を含む溶液を保持する容器であり、例えば、数10μLの試料を保持することができるウェルを24行16列備えたサンプルプレートに、樹脂製のシートであるセプタを乗せ、それをホルダとクリップで挟むように構成されている。測定対象は、例えば、4種類のヌクレオシド塩基分子が蛍光標識された、多数の適当な長さ(大きさ)の核酸である。セプタは、ウェル中の試料の蒸発を防止するためのものであり、ウェルに対応する位置に通常は密閉状態の貫通孔を有し、試料導入時には貫通孔を介して試料導入端702が試料に接触する。また、セプタの上面に保護フィルムを貼り付け、試料蒸発を防止しても良い。バッファ容器705は、試料導入端702を浸す緩衝液を保持する容器である。試薬容器706は、蛍光標識のついた測定対象を反応デバイス203に固定するための試薬や反応溶液を保持するための容器である。洗浄容器707は、試料導入端702を洗浄する洗浄液を保持する容器である。
The
ポンプユニット102は試料成分を流すためのポンプ801、廃液を破棄するための廃液容器802から構成されている。廃液容器802は、使用済のバッファ媒体を保持する容器である。
The
反応ユニット105は、恒温槽201、反応チャンバ202、反応デバイス203から構成されている。
The
照射ユニット106は、励起光の光源となるレーザ光源501、第一の集光レンズ502、照射用フィルタ503、第二の集光レンズ504、戻り光防止スリット505、励起光を試料に全反射照射する全反射プリズム506を有する。戻り光防止スリット505は、励起光を全反射プリズム506に入射させる際に、反射及び屈折によってレーザ光源501に戻る光を防止し、分析性能を低下させないためのスリットである。
The
検出ユニット107は、第一のカメラレンズ601、検出フィルタ602、回折格子603、第二のカメラレンズ604、二次元検出器605、及びXYZステージ606を有する。二次元検出器605は集光された光の強度をデジタル値に変換する。なお、回折格子603はプリズムやダイクロイックミラー等を適宜組み合わせた波長分散手段を用いてもよい。二次元検出器605の代わりに、一次元検出器、フォトマル、フォトダイオード等、及び、光学機構を適宜組み合わせて構成したものであってもよい。XYZステージ606は、検出ユニット107を目的の反応グリッド204が撮影できるよう移動する移動手段である。さらに、撮影の際にフォーカスをあわせるために用いる。なお、XYZステージ606は2軸機構であるXYステージや移動機構を適宜組み合わせた移動手段を用いても良い。反応ユニット105が移動手段を持っても良い。
The
分析ユニット108は計算機901およびデータベース902から構成されている。
The
警告指示操作ユニット110は表示装置1101、発光装置1102、発音装置1103、及び、操作装置1104から構成されている。例えば、表示装置として液晶ディスプレイやブラウン管ディスプレイ、発光装置としてLEDやランプ、発音装置としてスピーカやブザー、操作装置としてプッシュ式ボタンやキーボードやマウスがある。
The warning
なお、オートサンプラユニット101と反応ユニット105は第一のチューブ803、反応ユニット105とポンプユニット102は第二のチューブ804によって流路が接続されている。
The
次に、図2を用いて、反応ユニット105内の詳細を説明する。
図2Aは、反応ユニット105内の反応デバイス203および照射ユニット106内の全反射プリズム506周辺を拡大したものである。反応デバイス203は、励起光が照射される照射部401、試料を導入するための接続端402、及び、発光強度を観測するための観測窓403から構成されている。また、反応デバイス203の照射部401には、全反射プリズム506が密着されている。
Next, details of the
2A is an enlarged view of the periphery of the
図2Bは、反応デバイス203を上方向から見た図である。図2Bに示すように、反応デバイス203は列状に並ぶ複数の反応グリッド204から構成され、同一列の反応グリッド204には、流路206が接続されている。これは、複数の試料成分を同時に分析するためである。反応デバイス203は、所定回数の分析によって品質が劣化した場合や分離能が低下した場合に備え、着脱可能な交換部材を採用している。また、測定手法を変更し、反応グリッド数を変更する必要がある場合にも、異なる反応グリッド数を有する反応デバイス203に交換可能であり、任意の反応グリッド数に調節可能である。図2Bでは、反応グリッドが列状に配置されているが、列状に配置されていなくても良く、同一列の反応グリッド204に流路が接続されていなくても良い。また、図2Bでは、24個の反応グリッド204から構成されているが、1個であっても良く、4個、8個等であっても良い。
FIG. 2B is a view of the
図2Cは、図2Bの反応グリッド204を拡大したものである。図2C に示すように、反応グリッド204内には、内部に格子状に反応サイト205が1μmごとに配置されている。図2Cでは、1μmごとに反応サイト205が格子状に配置されているが、分析方法に合わせて、任意の距離ごとに正方格子状、三角格子状、篭目格子状に配置しても良く、ランダムに配置しても良い。
FIG. 2C is an enlarged view of the
図2Dは、測定対象304に蛍光スペクトル分析蛍光標識103を標識させた図である。
FIG. 2D is a diagram in which the fluorescent spectrum
図2Eは、図2Bの反応グリッド204を横方向から見た図である。図2Eに示すように、反応グリッド204は石英ガラス基板301上に非特異吸着防止層302がコーティングされ、数十nmの金微粒子303が固定され、金微粒子303上に測定対象304を吸着させるDNAプローブ305が取り付けられている。各反応サイト205は、石英ガラス基板301上にて、ガラス基板に対して実質的に平行に配列されている。実質的にとは、精度誤差に収まる程度であることを意味する。図2Eでは、金微粒子303から構成されているが、銀等の局在表面プラズモン共鳴による増強場を発生させる金属粒子であってもよい。
FIG. 2E is a view of the
<分析動作>
本実施形態の単一核酸分子観察装置は、蛍光標識のついた核酸を固定した反応デバイス203に、照射ユニット106より照射された励起光を核酸の蛍光標識に当て、発光強度を検出ユニット107にて時系列順に取得し、事前に準備したデータベースと相関を求め比較し、発光強度の特定をする。例えば、DNA含有試料を有する試料成分から、塩基配列を決定する。
<Analysis operation>
The single nucleic acid molecule observation apparatus of the present embodiment applies the excitation light irradiated from the
本発明における単一拡散分子観察装置による分析の流れについて、図4を用いて説明する。図4Aは、本発明の単一核酸分子観察装置の分析方法に関するフローチャートである。なお、各動作主体は図1における計算機901である。
The flow of analysis by the single diffusion molecule observation apparatus in the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4A is a flowchart relating to the analysis method of the single nucleic acid molecule observation apparatus of the present invention. Each operating subject is the
ステップ11では単一核酸分子観察装置の初期化が行われる。この動作は単一核酸分子観察装置固有の初期化動作である。例えば、電源電圧が安定しているか、各ユニットが接続されているか等を確認する。
In
ステップ12では、単一核酸分子観察装置の設定が行われる。ここからは、ステップ12の詳細について図4Bを用いて説明する。
In
ステップ21では、単一核酸分子観察装置の測定条件を決定するため、分析ユニット内の図示しない記憶部に記憶された前回の測定条件を読み出す。本ステップで読み出した測定条件により取得した発光強度が、例えば、測定するために必要な閾値よりも低かったり、逆に強かったり、または無かったりする場合は、以下のステップ22〜26により測定条件が自動調整される。具体的には、露光時間を長くしたり、検出器感度を下げたり、光源強度を上げたり、または、ステージの移動が行われる。あるいは、発光強度がない場合にはサンプル濃度や試薬濃度を変更することも考えられる。そして、以下のステップ27では、測定条件が十分に満たされていない場合、ユーザに対して警告や指示を出す。警告や指示の方法として単一核酸分子観察装置の動作、あるいは発音装置1103による特定の音、あるいは発光装置1102の点灯、あるいは消灯、あるいは表示装置1101に図や記号で表示することが考えられる。
In
ステップ22では、ステップ21での測定条件により測定した発光強度のノイズレベル(S/N比)を向上させたい場合などに、必要があれば流路に洗浄を流したり、紫外線を照射したりすることにより流路を洗浄する。
In
ステップ23では、反応グリッド204を観察するため、ステージ位置の調整を行う。
In
ステップ24では、反応グリッド204へ測定対象304と試薬をオートサンプラユニット101より導入する。試料移動部703は、サンプル容器704、バッファ容器705、試薬容器706、及び、洗浄容器707を、試料導入部701に搬送するための移動手段である。まず、試料移動部703は、試料導入部701にバッファ容器705を配置し、バッファ容器705に保持された緩衝液に試料導入端702を浸す。すると、反応グリッド204、第一のチューブ803、及び第二のチューブ804の内部はバッファ媒体で満たされる。これによって、オートサンプラユニット101と反応ユニット105、及び、ポンプユニット102からなる流路が形成される。試料導入端702を、洗浄容器中の洗浄液に浸すのは、試料導入端702を洗浄し、コンタミネーションを回避するためである。次に、サンプル容器704より測定対象を含む成分を流路内に分注し、反応溶液(蛍光dNTP、ポリメラーゼ)と共に試料成分を反応デバイス203内に流す。このとき、試料成分の反応速度に影響を与える反応グリッド204及び流路206の温度は、恒温槽によって制御される。そして、ペルチェ等の温度制御機構によって一定温度に保たれた空気を、ファン等の送風機構によって恒温槽内を循環させ、反応グリッド204及び流路206を所定温度に保持する。また、装置の待機中にも、分析時と同様に試料導入部701に搬送され、試料導入端702を緩衝液に浸し、オートサンプラユニット101、反応ユニット105、及びポンプユニット102内のバッファ媒体の乾燥を防止する。廃棄容器802は、バッファ媒体充填時に、排出される使用済のバッファ媒体を受け入れる。
In
ステップ25では、照射ユニット106のレーザ光源501の強度を調整する。
In
ステップ26では、二次元検出器605の検出感度を調整する。
In
ステップ27では、ユーザに対して警告や指示を行う。表示装置1101は動作時にユーザに対して図や文字で操作を表示したり、警告したりする。発光装置1102は動作時に点灯及び消灯をすることで、装置の状態を示したり、警告したりする。発音装置1103は動作時に操作確認音を出したり、警告音を出したりする。ユーザは、操作装置1104を用いて動作時の操作を行う。
以上までがステップ12の設定である。
In
The above is the setting of
ステップ13では、単一核酸分子観察装置での計測を行う。ここからは、ステップ13の処理について図4Cを用いて説明する。
In
ステップ31では、励起光を照射部401に照射し測定対象304を励起させる。照射ユニット106からの励起光は、第一の集光レンズ502によって集光され、照射用フィルタ503によって不要な波長成分はカットされ、第二の集光レンズ504によって励起光は集光され、第二の集光レンズ504によって集光された光は全反射プリズム506に照射される。照射部401の反対側には、反応デバイス203の観測窓403が設置されているため、励起光は、照射部401の外面を全反射して反応デバイス203内を伝播しエバネッセント光を発生させる。そしてエバネッセント光は各反応サイト205内の試料を同時に励起する。反応デバイス203内を伝播する励起光によって、反応サイト205内の試料は、数mmから数十mmの範囲にて、蛍光を発生する。こうして本実施形態では、グリッド状の発光部位を形成する。
In
ステップ32では、検出ユニット107の二次元検出器605にて試料から放出された光の計測を行う。ステップ31で反応デバイス203内にて試料成分に励起光が照射されると、試料成分に標識された蛍光体は、試料成分毎に異なる波長の光を放出する。この光は、反応グリッド204ごとに検出ユニット107によって検出され、発光状態は時間軸に対する画像情報として取得される。図3に、二次元検出器605によって得られた画像例を示す。この画像は縦横方向に反応サイト205が並んでおり、1つの反応サイト205の横軸は波長分散方向である。黒い部分が発光点を示しており、白い部分が非発光点を示している。
In
本実施形態では、反応サイト205の間隔が1μmの反応グリッド204を用いている。これに対し、蛍光体による発光強度のピーク間の波長距離は、約330μmである。つまり、反応サイト間隔が蛍光体の波長ピーク間隔よりも小さいため、各反応サイトで発生した蛍光体の波長が入り混じることがあり、どの反応サイトから発せられた波長かを特定する必要がある。そこで、図3で得られた発光している各反応サイト205の画像から、発光強度又はスペクトル情報を取得することで、二次元検出器605の画像上における反応サイト205の中心位置を示す波長を得ることができる。本実施形態では、反応サイト205のX方向に関してある程度の長さの画像を取得することで、反応サイト205の位置ずれを正確に得ることができるばかりでなく、反応サイト205の傾斜角を正確に得ることができる。例えば、反応サイトが格子状に並んでいる場合、画像上にその傾きと位置ずれが現れるため、そこから逆に位置ずれ量と傾きを求めることができる。
以上までが、本発明の単一核酸分子観察装置を用いて、反応グリッド単位での画像を取得するまでの流れである。
In the present embodiment,
The above is the flow until an image is obtained in units of reaction grids using the single nucleic acid molecule observation apparatus of the present invention.
次に、二次検出器によって得られた画像を構成する計測データを分析し、得られた計測データから不要情報を除去する方法を説明する。本実施形態では、1つの反応グリッド204に対して、4色の蛍光色素を用いた場合について説明する。なお、各動作主体は、図1における計算機901である。
Next, a method for analyzing measurement data constituting an image obtained by the secondary detector and removing unnecessary information from the obtained measurement data will be described. In the present embodiment, a case where four color fluorescent dyes are used for one
ステップ33では、第一の不要情報除去の処理(時系列統計情報を用いた不要情報除去)が行われる。ここでの目的は、製造段階において正確に形成されなかった反応サイトや、分析段階においてハイブリダイゼーションが起こらなかった反応サイトを把握し、一般的な統計的手法を施すことで、その場所に関するコンピュータ処理の実行を省き、迅速かつ効率良くデータ処理を行うことである。ここでは、非発光点の時間軸に対する統計的情報により、不要情報を削除する。製造段階において正確に形成されなかった反応サイトの計測データは、波長校正時に記録し、計測を行うときに計測対象外として除去することができる。分析段階においてハイブリダイゼーションが起こらなかった反応サイトは、輝点でない部分の計測データと雑音比を取る統計的処理をすることで除去することが出来る。第一の不要情報除去方法に関する詳細な説明は後述(図5)することにする。
In
ステップ34では、本発明特有の第二の不要情報除去の処理(特定)が行われる。ここでの目的は、計測データ中に含まれる多くの試料成分蛍光発光由来以外の発光、例えば蛋白質系のゴミの発光や分離した蛍光物質による発光、を除去することである。並びに、試料成分蛍光発光由来であっても複数の蛍光物質による同時発光を含む場合も考えられ、これら複数の発光強度信号を含む計測データから、1つずつ発光強度信号を特定することである。ここでは、時間軸方向に取得した発光強度信号と教師データとの相関を取ることにより、まず不要情報を特定・削除した後、複数の発光強度信号を特定する。詳細については、後述(図6A及びB)する。教師データは、主に計測データから作成したもの、人工的に作成したものなどがある。その他の抽出方法としては、信号の平均や分散やS/N比等の相関を取る、一般的な統計的手法を用いても可能である。例えば、分散の程度が正規白色雑音と同じ程度の場合を非発光点とする方法である。
In
ステップ35では、第三の不要情報除去の処理(波長情報を用いた不要情報除去)が行われる。ここでの目的は、第二の不要情報除去と同様、取得した計測データ中に含まれる多くの試料成分蛍光発光由来以外の発光を除去することである。ただし、ここでは、計測データから波長情報を取得し、測定対象304に付加した蛍光体の波長情報と比較することにより、蛍光体以外の波長に由来する発光強度信号を不要情報として削除する。第三の不要情報除去方法に関する詳細な説明は後述(図7)することにする。本処理は補助的なものであり、第二の不要情報除去方法で除去できなかったものを除去するために実行される。
In
なお、第一から第三までの3つの不要情報除去方法は全て実行されても良いし、1つ又は2つの方法について選択的に実行されても良い。
以上までがステップ13の計測の流れである。
Note that all three unnecessary information removal methods from the first to the third may be executed, or one or two methods may be selectively executed.
The above is the measurement flow of
ステップ14では、連続して計測が必要な場合、繰り返し計測が行われる。たとえば、図2Bにおいて1つの反応グリッド204の計測後、他の反応グリッドを連続して計測したい場合は当ステップからステップ12へ戻り、再び同じ処理が繰り返されることになる。
In
ステップ15では、得られた計測結果を基に核酸分子を決定するための分析が行われる。ここでは、蛍光色素の色から核酸を決定する塩基変換処理、および塩基変換処理で決定された核酸の精度を高めるために同じものを探し重ねる処理やデータベースとの比較を行う塩基配列決定処理が行われる。
以上までが、本発明の単一核酸分子分析を行う上での主な流れである。
In
The above is the main flow in performing the single nucleic acid molecule analysis of the present invention.
それでは、前述した上記ステップ13における計測で行われる本発明の課題を解決する上で必要な第一から第三までの不要情報除去方法について、以下説明する。
Then, the unnecessary information removal method from the first to the third necessary for solving the problem of the present invention performed by the measurement in the above-described
第一の不要情報除去ステップ33のフローチャートを図5に示す。
A flowchart of the first unnecessary
ステップ41では、時間軸方向に対する発光強度信号の統計情報を抽出する。ここでは主に一般的な統計的方法により、ノイズレベルを計測する。
In
ステップ42では、発光強度が弱い輝点データやノイズデータを除去する。具体的には、ステップ41で得られた統計情報の平均値、分散を計算し、平均値があまりに低いものや分散が大きすぎるものなどを除去する。
In
第二の不要情報除去ステップ34のフローチャートを図6Aに示す。
A flowchart of the second unnecessary
ステップ51では、DP(ダイナミック・プログラミング)マッチング処理を行う前準備として、輝点データの移動平均を取得後に正規化を行う。DPマッチングは音声認識の分野で使われているマッチング技術である。詳しくは後述のステップ54で述べる。
In
ステップ52では、DPによる距離を計算する。図6Bは、DP距離を算出する手順を示したものである。本実施形態では開始点、終了点を固定する区間固定法を用いるが、開始点、終了点を固定しない区間フリー法を用いてもよい。
In
ステップ61では、ローカル距離計算が行われる。ここでは、比較方法を用いて教師データと計測データを比較する。教師データのある時間t1と計測データのある時間t2における信号強度を用いて尤度付き絶対値誤差法により誤差を計算する。尤度とは、信号同士のずれ(誤差)の許容量を表す。一般的に、信号には白色雑音が含まれるため、その白色雑音程度を尤度とする場合や、装置性能として信号の安定が許される程度を尤度とする場合がある。本実施形態では、まず絶対値誤差を計算し、尤度は0.1として、それ以下の場合は誤差の値は0、それ以上の場合では0.1を差し引いた値とする。これによって信号のノイズを考慮した誤差比較をすることが出来る。t1、及びt2をずらして全区間において比較方法によって比較し、ローカル距離とする。本実施形態では、尤度は0.1としたがこの値は0.05や0.2といった固定値や、区間や発光強度によって変わる可変値であってもよい。
In
ステップ62では、グローバル距離計算が行われる。ここでは、DPパスを用いてローカル距離の比較を行う。教師データのある時間t1と計測データのある時間t2におけるローカル距離がもっとも近くになる距離を選択する。DPパスを変更することによって時間対応を軽減させたり、特定ノイズを無視したりすることが出来る。最後に教師データと計測データの全区間の時間で割ることで正規化されたDP距離が得られる。これにより、後述するDP距離による分類54において、DP距離が最も小さいものがどのパターンに当てはまるかによって分類することが出来る。
In
ステップ63では、バックトレース形状比較が行われる。ここでは、DP距離のみでは分類できない計測データの場合にDP距離計算過程であるバックトレースの形状を教師データ1001と比較する。一般的に、複数の発光強度を有する計測データは、教師データと比較するのが困難である。しかし、この方法は、他段階に発光するスペクトルを含んでいることが多い開始地点の計測データからではなく、全ての発光が終了した終了地点の計測データを時間方向に逆順に教師データと比較する。これにより後述するDP距離による分類(ステップ54)において、発光強度信号を特定する精度を向上させることができる。
In
以下に、バックトレース形状比較を行う手順を説明する。
図11Aに、バックトレース形状比較を行う場合の計測データの例を示す。図11Bに、バックトレース形状比較を行った結果例を示す。図11Aでは、図11Bのバックトレースが連続してテスト信号を参照しているため、輝点に対して挿入が発生している。これは、図11Aの横軸フレーム数方向に同じ値が連続していることから判断できる。図11Aの計測データから、多段階に消光したフレームを検出するためには、時間方向に逆順に消光したフレームから次の消光したフレームまでを教師データと比較する。そして比較された結果、特定された教師データに対応する予測スペクトル信号を、もとの計測データから差し引く。これを発光開始フレームまで遡りながら消光回数分繰り返すことで、複数含まれる蛍光スペクトルを一つずつ教師データへ特定していく。
以上までがDPによる距離計算の流れである。
The procedure for performing backtrace shape comparison will be described below.
FIG. 11A shows an example of measurement data when backtrace shape comparison is performed. FIG. 11B shows an example of the result of backtrace shape comparison. In FIG. 11A, since the back trace of FIG. 11B continuously refers to the test signal, insertion occurs for the bright spot. This can be determined from the fact that the same value continues in the horizontal frame number direction in FIG. 11A. In order to detect a frame that has been quenched in multiple stages from the measurement data in FIG. 11A, a frame that has been quenched in reverse order in the time direction is compared with the teacher data. As a result of the comparison, a predicted spectrum signal corresponding to the identified teacher data is subtracted from the original measurement data. By repeating this for the number of times of quenching while going back to the light emission start frame, a plurality of fluorescent spectra are specified one by one in the teacher data.
The above is the flow of distance calculation by DP.
ステップ53では、複数の教師データがあった場合には処理を繰り返す。
In
ステップ54では、ステップ52で行われたDP距離計算に基づき、発光パターンの分類を行う。分類はDP距離のみの比較でも良いが、さらにDP距離の組み合わせによって判別分析法等を用いて行うことも可能である。ここではDPマッチングを用いるが、テンプレートマッチング、マップマッチング、隠れマルコフモデルマッチング等の手法を用いても良い。発光強度信号の同定は、得られた計測データの縦軸におけるピークと教師データとのマッチングにより行われる。また、試料成分蛍光発光由来であっても複数の蛍光物質による同時発光を含む場合も考えられ、これら複数の発光強度信号を、不要情報を除去した後の計測データから1つずつ特定する。計算機901は検出ユニット107より取得された計測データをもとに、信頼性情報を計算して、データベースと比較することで塩基配列を決定する。 以下、教師データを基に、計測データを分類する方法について説明する。
In
図8は、測定の結果得られた、試料成分が発光するパターンを示したものである。図8のグラフの横軸はフレーム数、縦軸は輝点の強度である。横軸の1フレームとは、1/100秒ごとに計測したデータを意味する。なお、計測を行う際は1/100秒ごと以外に1/50秒ごとや1/200秒ごとであっても良い。 FIG. 8 shows a pattern in which a sample component emits light obtained as a result of the measurement. The horizontal axis of the graph of FIG. 8 is the number of frames, and the vertical axis is the intensity of the bright spot. One frame on the horizontal axis means data measured every 1/100 second. When measuring, it may be every 1/50 second or every 1/200 second in addition to every 1/100 second.
得られる計測データは、発光強度の強い部分をSとし、発光強度の弱い部分をBとした場合、図8の(1)〜(12)までの12種類が考えられる。詳細には、(1)Sが安定している一段階消光、(2)Sが右肩上がりの消光、(3)S及びBが右肩上がりの消光、(4)開始2〜4フレームでの消光、(5)開始1フレームでの消光、(6)開始5フレーム以下で1段階目消光、5フレーム以上後に2段階目消光、(7)Sが不安定な消光、(8)2回発光(Bが同じでS間が長い)、(9)2回発光(Bが異なりS間が長い)、(10)2回発光(Bが同じでS間が短い)、(11)立ち上がり開始時刻の遅れた発光、(12)消光前に強い発光、である。 There are 12 types of measurement data obtained from (1) to (12) in FIG. 8, where S is a portion with high emission intensity and B is a portion with low emission intensity. Specifically, (1) one-step extinction with S being stable, (2) S with extinction rising to the right, (3) extinction extinguishing with S and B, and (4) starting 2-4 frames Extinction, (5) extinction at the first frame, (6) extinction at the first stage at 5 frames or less after the start, second stage extinction after 5 frames, (7) quenching with unstable S, (8) twice Light emission (B is the same and S is long), (9) Double light emission (B is different and S is long), (10) Double light emission (B is the same and S is short), (11) Start-up Light emission delayed in time, (12) Strong light emission before quenching.
得られた計測データが、信頼性が高く、単一発光のみから成る (1)のパターンであれば、直接DPマッチングを用いて行う。DPマッチングの概念図を図9に示す。DPマッチングは教師データ1001、計測データ1002、DPパス、比較方法1004から構成されている。最大の特徴は、時間方向に形状が伸縮してもそれに応じたパターンを登録せずに、特定することが出来る点である。
If the obtained measurement data is highly reliable and consists of a single light emission (1), direct DP matching is used. A conceptual diagram of DP matching is shown in FIG. DP matching is composed of
図9における教師データ1001は、得られた計測データを特定するための基準となる波形であり、横軸に時間、縦軸に正規化された信号強度を与える。ここでは、フレーム0を開始点として、信号の傾きが変化する点の強度を、時間軸方向へ順に呼ぶことにする。例えば、図9右上図の教師データのDNA-A,T,G,Cの場合であれば、0.0、0.0、1.0、0.3、0.0となる。
The
計測データ1002は時系列に取得した発光強度信号を、信号強度方向に正規化したものである。横軸に時間、縦軸に正規化された信号強度を与える。
The
DPパスはDPマッチングを行う際に信号同士の時間対応をどの程度許すかを決めるものである。DPパスは重みを持っており、通常、時間対応のずれに従って重みが重くなる。図10にDPパスで用いる内部計算手法を模式的に示す。これは、信号同士を比較する際に大きく値が異なる場合に、信号に含まれるノイズを許容するための方法である。図中の白丸は座標点、線は許容される誤差の経路、数字は経路の重み(許容しにくさ)を表している。本実施形態では図10Aの標準型を用いるが、標準型以外に図10Bのアロー型、図10Cのリファレンス優先型、図10Dのテスト優先型、図10Eの時間対応フリー型等であってもよい。 The DP path determines how much time correspondence between signals is allowed when performing DP matching. The DP path has a weight, and the weight usually increases according to a time correspondence shift. Fig. 10 schematically shows the internal calculation method used in the DP path. This is a method for allowing noise included in signals when the values are greatly different when the signals are compared. In the figure, white circles indicate coordinate points, lines indicate allowable error paths, and numbers indicate path weights (difficulty). In this embodiment, the standard type of FIG. 10A is used, but other than the standard type, the arrow type of FIG. 10B, the reference priority type of FIG. 10C, the test priority type of FIG. 10D, the time-adaptive free type of FIG. .
比較方法1004はDPパスによってローカル距離を計算する際に、信号を比較する方法である。信号比較は主に誤差計算によってなされる。本実施形態では尤度付き絶対値誤差法を用いるが、差分誤差法、二乗誤差法、マハラノビス距離法等の比較方法であってもよい。
The
図9では、計測データ1002は、それぞれの教師データ1001から算出されたDP距離1005が最も小さい値となる、DNA-Gのパターンに当てはまることになる。
In FIG. 9, the
ところが、得られた計測データが複数の発光強度信号を含むような図8の(2)〜(12)のパターンである場合は直接DPマッチングを実行するのは困難である。これらの場合にDPマッチングを行う方法について説明する。 However, when the obtained measurement data has the patterns (2) to (12) in FIG. 8 including a plurality of emission intensity signals, it is difficult to directly execute DP matching. A method for performing DP matching in these cases will be described.
図8の(2)及び(3)の場合には、(1)のパターンにのこぎり波状の波形が足し合わされたものであるため、教師データ1001にのこぎり波状の波形を登録すればDPマッチングが可能である。のこぎり波状の波形は、開始点を0.5付近からはじめ1.0まで上昇し消光する(2)と、開始点を0.5付近からはじめ1.0まで上昇し消光し再び0.5付近まで上昇する(3)とによって近似される。
In the case of (2) and (3) in Fig. 8, since the sawtooth waveform is added to the pattern of (1), DP matching is possible if the sawtooth waveform is registered in the
図8の(4)及び(5)の場合には、短期間DPマッチングを用いれば可能である。開始5フレーム以内のみを用いてDPマッチングすることを短期間DPマッチングと呼ぶ。この区間における発光状態を比較する。教師データとして0.0、1.0、0.0の3値を用いる。 In the cases of (4) and (5) in FIG. 8, this is possible by using short-term DP matching. DP matching using only the first 5 frames or less is called short-term DP matching. The light emission state in this section is compared. Three values of 0.0, 1.0, and 0.0 are used as teacher data.
図8の(6)の場合には、前述のバックトレース形状比較後にDPマッチングが可能である。 In the case of (6) in FIG. 8, DP matching is possible after the backtrace shape comparison described above.
図8の(7)の場合には、比較方法1004の尤度を変更すれば可能である。本実施形態では尤度は0.1に設定したが、尤度を0.2に設定することで、DP距離が小さくなる場合、(1)のパターンにおけるSが不安定であったことを意味する。これにより尤度を調整することで(7)は(1)としてDPマッチングが可能となる。
In the case of (7) in FIG. 8, it is possible by changing the likelihood of the
図8の(8)、(9)及び(10)の場合には、教師データ1001に複数の矩形波を登録することで分類可能である。(8)と(10)は教師データとして0.0、1.0、0.0、1.0、0.0を用いる。(9)は教師データとして0.0、1.0、0.5、1.0、0.0を用いる。これによりDPマッチングが可能である。あるいは、2回発光のそれぞれの発光が安定していれば、2回の発光を1回ずつに分離しすることによっても、DPマッチングが出来る。
In the cases of (8), (9), and (10) in FIG. 8, classification is possible by registering a plurality of rectangular waves in the
図8の(11)の場合には、教師データ1001に初期時に信号強度を弱くした波形を登録すれば、短期間DPマッチングが可能である。教師データとして0.0、0.1、0.0の3値を用いる。
In the case of (11) in FIG. 8, DP matching is possible for a short period by registering a waveform with a weak signal intensity at the initial stage in the
図8の(12)の場合には、教師データ1001に初期時に信号強度を中程度にした波形を登録すれば、DPマッチングが可能である。教師データとして0.5、0.1、0.0の3値を用いる。
In the case of (12) in FIG. 8, DP matching is possible if a waveform with a medium signal intensity at the initial stage is registered in the
これらの方法によって図8の12種類の計測データについてDPマッチングが可能となり、複数の発光強度信号を含んだ計測データであっても、1つずつ発光強度信号を特定可能となる。
以上までがステップ34における第二の不要情報除去の流れである。
With these methods, DP matching is possible for the 12 types of measurement data in FIG. 8, and even with measurement data including a plurality of emission intensity signals, the emission intensity signals can be specified one by one.
The above is the flow of the second unnecessary information removal in
次に第三の不要情報除去ステップ35のフローチャートを図7に示す。
Next, a flowchart of the third unnecessary
ステップ71では、計測データから輝点スペクトルを抽出する。
In
ステップ72では、計測データの輝点スペクトルを判断することにより蛍光体あるいは発光体を特定し、不要情報と判断された場合には不要情報を除去する。以下に、本ステップでの具体的な分析方法を説明する。
In
まず、計測データから安定した輝点を選択する。輝点スペクトルを用いる場合は、輝点の強度が安定した区間の発光を用いてスペクトル分析を行うべきであるからである。安定した輝点の選択方法として、1.安定区間の中間の輝点、2.安定開始から特定フレーム後の輝点、3.安定区間における輝点のビニング、の3つの方法が考えられる。 First, a stable bright spot is selected from the measurement data. This is because when a bright spot spectrum is used, spectrum analysis should be performed using light emission in a section where the intensity of the bright spot is stable. There are three methods for selecting a stable bright spot: 1. a bright spot in the middle of the stable section, 2. a bright spot after a specific frame from the start of stability, and 3. binning of the bright spot in the stable section.
1.「安定区間の中間の輝点」による選択方法は、特定区間においてSが区間の平均値より区間誤差±0.05以内である場合、その区間は安定しているとし、安定している区間においてその中間のフレームの輝点を用いて蛍光スペクトル分析をする方法である。なお、この区間誤差は±0.05以外の値で無くても良い。 1. The selection method by “bright spot in the middle of the stable section” is that if S is within the section error ± 0.05 from the average value of the section in the specific section, the section is assumed to be stable, and in the stable section In this method, fluorescence spectrum analysis is performed using the bright spot in the middle frame. This interval error may not be a value other than ± 0.05.
2.「安定開始から特定フレーム後の輝点」による選択方法は、安定区間を探した後、安定区間開始から例えば遅延フレーム10フレーム後の輝点を用いて蛍光スペクトル分析をする方法である。なお、この遅延フレームは10でなくても良い。 2. The selection method based on “bright spot after specific frame from start of stable” is a method of searching for a stable section and then performing fluorescence spectrum analysis using, for example, a bright spot after 10 frames after the start of stable section. The delay frame may not be 10.
3.「安定区間における輝点のビニング」による選択方法は、安定区間を探した後、安定区間内におけるスペクトルを全て積算し、スペクトル分析をする方法である。この方法によって、発光強度が小さい場合においても正確に蛍光スペクトル分析をする事ができるようになる。 3. The selection method based on “Binning of bright spots in the stable interval” is a method of searching for the stable interval, integrating all the spectra in the stable interval, and analyzing the spectrum. This method enables accurate fluorescence spectrum analysis even when the emission intensity is low.
次に、蛍光標識由来の発光は、計測データに特定のピークを持った波形を映すので、そのピークの波長情報を取得し、基準蛍光スペクトルの波長情報と相関係数を求めることでDNA試料成分の検出光から4色の蛍光スペクトルを特定し、4種類のDNAを同定する。図12に、波長校正データとして取得した基準蛍光スペクトルを示す。4色の蛍光色素からの蛍光は回折格子603によって波長分散されてスペクトルとなる。
Next, since the emission from the fluorescent label reflects a waveform with a specific peak in the measurement data, the wavelength information of the peak is obtained, and the wavelength information and correlation coefficient of the reference fluorescence spectrum are obtained to obtain the DNA sample component The four color fluorescence spectra are identified from the detected light, and four types of DNA are identified. FIG. 12 shows a reference fluorescence spectrum acquired as wavelength calibration data. Fluorescence from the four color fluorescent dyes is wavelength-dispersed by the
こうして、DNA試料成分の検出光から4色の蛍光スペクトルを分離し、4種類のDNAを正確に同定することができる。そして、基準蛍光スペクトルへの相関係数を計算し信頼性情報としてデータベース検索の際に利用することが出来る。 In this manner, the fluorescence spectra of four colors can be separated from the detection light of the DNA sample component, and the four types of DNA can be accurately identified. Then, the correlation coefficient to the reference fluorescence spectrum can be calculated and used as the reliability information when searching the database.
一方、4種類のどの色素とも相関係数が低い場合にはその輝点は蛍光標識由来ではないことを意味するため、不要情報として排除する。不要情報の蛍光スペクトルの例を図13に示す。 On the other hand, if any of the four types of dyes has a low correlation coefficient, it means that the bright spot is not derived from a fluorescent label, and is excluded as unnecessary information. An example of the fluorescence spectrum of unnecessary information is shown in FIG.
<本実施形態の効果>
以上の本発明の分析手段により、複数の発光強度信号を有する計測データから単一発光のみを抽出することができ、計測データに時間のずれ、コンタミネーションなどの擬似信号を低減する効果がある。また、その結果を利用して装置動作の自動化、ユーザへの情報提示をする効果がある。
<Effect of this embodiment>
With the analysis means of the present invention described above, only single emission can be extracted from measurement data having a plurality of emission intensity signals, and there is an effect of reducing pseudo signals such as time lag and contamination in the measurement data. In addition, there is an effect of using the result to automate the operation of the apparatus and present information to the user.
11 初期化ステップ
12 設定ステップ
13 計測ステップ
14 連続計測判断ステップ
15 核酸分子分析ステップ
21 前回の計測結果読み出しステップ
22 流路洗浄ステップ
23 ステージ移動ステップ
24 測定対象注入ステップ
25 光源強度決定ステップ
26 検出器感度決定ステップ
27 警告指示ステップ
31 励起光照射・励起ステップ
32 検出器で計測ステップ
33 第一の不要情報除去ステップ
34 第二の不要情報除去ステップ
35 第三の不要情報除去ステップ
41 統計データ抽出ステップ
42 統計的不要情報除去ステップ
51 輝点の移動平均後正規化ステップ
52 DPによる距離計算ステップ
53 繰り返し判断ステップ
54 DP距離による分類ステップ
61 ローカル距離計算ステップ
62 グローバル距離計算ステップ
63 バックトレース形状比較ステップ
71 輝点スペクトル抽出ステップ
72 スペクトル的不要情報除去ステップ
101 オートサンプラユニット
102 ポンプユニット
103 蛍光スペクトル分析蛍光標識
105 反応ユニット
106 照射ユニット
107 検出ユニット
108 分析ユニット
201 恒温槽
202 反応サイト中心位置反応チャンバ
203 反応デバイス
204 蛍光の発光強度反応グリッド
205 反応サイト
206 流路
301 石英ガラス基板
302 非特異吸着防止層
303 金微粒子
304 単一核酸分子観察装置測定対象
305 DNAプローブ
401 励起光照射部
402 接続端
403 観測窓
501 レーザ光源
502 第一の集光レンズ
503 照射用フィルタ
504 第二の集光レンズ
505 戻り光防止スリット
506 全反射プリズム
601 第一のカメラレンズ
602 検出フィルタ
603 回折格子
604 第二のカメラレンズ
605 二次元検出器
606 XYZステージ
701 試料導入部
702 試料導入端
703 試料移動部
704 サンプル容器
705 バッファ容器
706 試薬容器
707 洗浄容器
801 ポンプ
802 廃液容器
803 第一のチューブ
804 第二のチューブ
901 計算機
902 データベース
1001 教師データ
1002 計測データ
1003 DPパス
1004 比較方法
1101 表示装置
1102 発光装置
1103 発音装置
1104 操作装置
11 Initialization steps
12 Setup steps
13 Measurement steps
14 Continuous measurement judgment step
15 Nucleic acid molecule analysis step
21 Previous measurement result reading step
22 Channel cleaning step
23 Stage movement step
24 Measurement target injection step
25 Light source intensity determination step
26 Detector sensitivity determination step
27 Warning instructions step
31 Excitation light irradiation / excitation step
32 Measuring steps with the detector
33 First unnecessary information removal step
34 Second unnecessary information removal step
35 Third unnecessary information removal step
41 Statistical data extraction step
42 Steps for removing statistical unnecessary information
51 Normalization step after moving average of bright spots
52 DP distance calculation step
53 Iteration step
54 Classification steps by DP distance
61 Local distance calculation step
62 Global distance calculation step
63 Backtrace shape comparison step
71 Bright spot spectrum extraction step
72 Spectral unwanted information removal step
101 Autosampler unit
102 Pump unit
103 Fluorescence spectrum analysis Fluorescent label
105 reaction units
106 Irradiation unit
107 detection unit
108 analysis units
201 temperature chamber
202 Reaction site center reaction chamber
203 reaction devices
204 Fluorescence intensity response grid
205 reaction sites
206 flow path
301 quartz glass substrate
302 Non-specific adsorption prevention layer
303 Gold fine particles
304 Single nucleic acid molecule observation device
305 DNA probe
401 Excitation light irradiation unit
402 Connection end
403 Observation window
501 Laser light source
502 First condenser lens
503 Irradiation filter
504 Second condenser lens
505 Return light prevention slit
506 Total reflection prism
601 First camera lens
602 detection filter
603 diffraction grating
604 Second camera lens
605 2D detector
606 XYZ stage
701 Sample introduction part
702 Sample introduction end
703 Sample moving part
704 Sample container
705 Buffer container
706 Reagent container
707 Cleaning container
801 pump
802 Waste liquid container
803 first tube
804 second tube
901 calculator
902 database
1001 Teacher data
1002 Measurement data
1003 DP pass
1004 Comparison method
1101 Display device
1102 Light emitting device
1103 Sound generator
1104 Operating device
Claims (16)
前記分析ユニットは、
前記検出器によって捕らえられた発光強度信号を時系列順に取得した発光強度計測データを作成する、時系列データ作成手段と、
前記発光強度に関する複数の発光強度教師データを備え、各発光強度教師データと前記発光強度計測データとの相関を表す発光強度相関係数を算出する、発光強度相関係数算出手段と、
前記発光強度相関係数に基づいて、前記発光強度計測データを前記複数の発光強度教師データのいずれか1つに特定する、特定手段と、
を有することを特徴とする単一核酸分子観察装置。 A light source for irradiating the fluorescence-labeled reaction device with excitation light, a detector for capturing emission intensity from the reaction device excited by the light source, and an emission intensity signal captured by the detector as data A single nucleic acid molecule observation apparatus comprising an analysis unit for analysis,
The analysis unit is
Creating luminescence intensity measurement data obtained in chronological order the luminescence intensity signals captured by the detector, time-series data creating means;
A plurality of emission intensity teacher data relating to the emission intensity, and an emission intensity correlation coefficient calculating means for calculating an emission intensity correlation coefficient representing a correlation between each emission intensity teacher data and the emission intensity measurement data;
Identifying means for identifying the emission intensity measurement data as any one of the plurality of emission intensity teacher data based on the emission intensity correlation coefficient;
An apparatus for observing a single nucleic acid molecule, comprising:
前記時系列データ作成手段は、作成した前記発光強度計測データの統計情報を計算し、
前記発光強度相関係数算出手段は、前記発光強度の統計情報に関する複数の発光強度教師データを備え、各発光強度の統計情報に関する教師データと前記発光強度計測データとの統計情報との相関を表す発光強度統計相関係数を算出し、
前記特定手段は、前記発光強度統計相関係数に基づいて、前記発光強度計測データの統計情報を前記複数の統計情報に関する発光強度教師データのいずれか1つに特定する、ことを特徴とする単一核酸分子観察装置。 In the single nucleic acid molecule observation apparatus according to claim 1,
The time series data creation means calculates statistical information of the created emission intensity measurement data,
The emission intensity correlation coefficient calculating means includes a plurality of emission intensity teacher data relating to the statistical information of the emission intensity, and represents a correlation between the teacher data relating to the statistical information of each emission intensity and the statistical information of the emission intensity measurement data. Calculate the emission intensity statistical correlation coefficient,
The specifying means specifies, based on the emission intensity statistical correlation coefficient, statistical information of the emission intensity measurement data as any one of emission intensity teacher data related to the plurality of statistical information. One nucleic acid molecule observation device.
前記発光強度相関係数算出手段は、各発光強度教師データと前記発光強度計測データとの相関を表す発光強度相関係数を時系列に逆順に算出し、
前記特定手段は、時系列に逆順に算出した前記発光強度相関係数に基づいて、前記発光強度計測データを前記複数の発光強度教師データのいずれか1つに特定する、ことを特徴とする単一核酸分子観察装置。 In the single nucleic acid molecule observation apparatus according to claim 1,
The emission intensity correlation coefficient calculating means calculates the emission intensity correlation coefficient representing the correlation between each emission intensity teacher data and the emission intensity measurement data in reverse order in time series,
The specifying means specifies the emission intensity measurement data as one of the plurality of emission intensity teacher data based on the emission intensity correlation coefficient calculated in reverse order in time series. One nucleic acid molecule observation device.
前記発光強度計測データが複数の異なる発光強度信号を含む場合、
前記特定手段は、前記発光強度相関係数に基づいて、前記発光強度計測データに含まれる各々の複数の異なる発光強度信号を各々の前記発光強度教師データに特定する、ことを特徴とする単一核酸分子観察装置。 In the single nucleic acid molecule observation apparatus according to claim 1,
When the emission intensity measurement data includes a plurality of different emission intensity signals,
The specifying means specifies each of a plurality of different emission intensity signals included in the emission intensity measurement data in each of the emission intensity teacher data based on the emission intensity correlation coefficient. Nucleic acid molecule observation device.
前記発光強度計測データが不要情報を含む場合、
前記時系列データ作成手段は、作成した前記発光強度計測データの統計情報を計算し、
前記発光強度相関係数算出手段は、不要情報の統計情報に関する複数の発光強度教師データを備え、各不要情報の統計情報に関する発光強度教師データと前記発光強度計測データの統計情報の相関を表す発光強度統計相関係数を算出し、
前記特定手段は、前記発光強度相関係数に基づいて、前記発光強度計測データに含まれる不要情報を前記複数の不要情報の統計情報に関する発光強度教師データのいずれか1つに特定し、前記不要情報を含む発光強度計測データから輝点データのみを抽出することを特徴とする単一核酸分子観察装置。 In the single nucleic acid molecule observation apparatus according to claim 1,
When the emission intensity measurement data includes unnecessary information,
The time series data creation means calculates statistical information of the created emission intensity measurement data,
The light emission intensity correlation coefficient calculating means includes a plurality of light emission intensity teacher data related to statistical information of unnecessary information, and a light emission representing a correlation between the light emission intensity teacher data related to statistical information of each unnecessary information and the statistical information of the light emission intensity measurement data. Calculate the strength statistical correlation coefficient,
The specifying means specifies unnecessary information included in the emission intensity measurement data as any one of emission intensity teacher data related to statistical information of the plurality of unnecessary information based on the emission intensity correlation coefficient, and the unnecessary A single nucleic acid molecule observation apparatus, wherein only bright spot data is extracted from emission intensity measurement data including information.
前記発光強度相関係数算出手段は、塩基配列に関する複数の塩基配列教師データを備え、各塩基配列教師データと前記発光強度計測データとの信頼性情報を算出し、
前記特定手段は、前記信頼性情報に基づいて、前記発光強度計測データを前記複数の塩基配列教師データのいずれか1つに特定することを特徴とする単一核酸分子観察装置。 In the single nucleic acid molecule observation apparatus according to claim 1,
The emission intensity correlation coefficient calculating means includes a plurality of base sequence teacher data relating to a base sequence, and calculates reliability information between each base sequence teacher data and the emission intensity measurement data,
The single nucleic acid molecule observation apparatus, wherein the specifying means specifies the luminescence intensity measurement data as any one of the plurality of base sequence teacher data based on the reliability information.
前記発光強度計測データの統計的情報を計算し、該統計的情報に基づいて発光強度計測データのうち不要データを削除する、時系列統計情報を用いた不要情報削除手段と、
を有することを特徴とする単一核酸分子観察装置。 The single nucleic acid molecule observation device according to claim 1, further comprising:
Statistical information of the emission intensity measurement data is calculated, unnecessary data is deleted from the emission intensity measurement data based on the statistical information, unnecessary information deletion means using time series statistical information,
An apparatus for observing a single nucleic acid molecule, comprising:
前記発光強度データから波長情報を取得し、該波長情報に基づいて発光強度計測データのうち不要データを削除する、波長情報を用いた不要情報削除手段と、
を有することを特徴とする単一核酸分子観察装置。 The single nucleic acid molecule observation device according to claim 1, further comprising:
Wavelength information is acquired from the emission intensity data, unnecessary data is deleted from the emission intensity measurement data based on the wavelength information, unnecessary information deletion means using wavelength information,
An apparatus for observing a single nucleic acid molecule, comprising:
前記発光強度計測データの統計的情報を計算し、該統計的情報に基づいて発光強度計測データのうち不要データを削除する、時系列統計情報を用いた不要情報削除手段と、
前記発光強度データから波長情報を取得し、該波長情報に基づいて発光強度計測データのうち不要データを削除する、波長情報を用いた不要情報削除手段と、
を有することを特徴とする単一核酸分子観察装置。 The single nucleic acid molecule observation device according to claim 1, further comprising:
Statistical information of the emission intensity measurement data is calculated, unnecessary data is deleted from the emission intensity measurement data based on the statistical information, unnecessary information deletion means using time series statistical information,
Wavelength information is acquired from the emission intensity data, unnecessary data is deleted from the emission intensity measurement data based on the wavelength information, unnecessary information deletion means using wavelength information,
An apparatus for observing a single nucleic acid molecule, comprising:
単一核酸分子観察装置の測定条件を記憶し、該測定条件を読み出し、該読み出された測定条件を用いて単一核酸分子観察装置の測定条件を自動調整する、自動調整手段と、
を有することを特徴とする単一核酸分子観察装置。 The single nucleic acid molecule observation device according to claim 1, further comprising:
Automatic adjustment means for storing measurement conditions of a single nucleic acid molecule observation apparatus, reading the measurement conditions, and automatically adjusting the measurement conditions of the single nucleic acid molecule observation apparatus using the read measurement conditions;
An apparatus for observing a single nucleic acid molecule, comprising:
前記自動調整手段は、流路に洗浄液を流しクリーニングすることにより、測定条件を自動調整することを特徴とする単一核酸分子観察装置。 In the single nucleic acid molecule observation apparatus according to claim 10,
The single nucleic acid molecule observation apparatus, wherein the automatic adjustment means automatically adjusts the measurement conditions by flowing a cleaning liquid through the flow path for cleaning.
前記自動調整手段は、流路に紫外線を照射しクリーニングすることにより、測定条件を自動調整することを特徴とする単一核酸分子観察装置。 In the single nucleic acid molecule observation apparatus according to claim 10,
The single nucleic acid molecule observation apparatus, wherein the automatic adjustment means automatically adjusts the measurement conditions by irradiating the flow path with ultraviolet rays and cleaning.
前記自動調整手段は、サンプル濃度あるいは試薬濃度を変更することにより、測定条件を自動調整することを特徴とする単一核酸分子観察装置。 In the single nucleic acid molecule observation apparatus according to claim 10,
The single nucleic acid molecule observation apparatus, wherein the automatic adjustment means automatically adjusts measurement conditions by changing a sample concentration or a reagent concentration.
前記自動調整手段は、露光時間、検出器感度、励起光強度の少なくとも1つを変更することにより、測定条件を自動調整することを特徴とする単一核酸分子観察装置。 In the single nucleic acid molecule observation apparatus according to claim 10,
The single nucleic acid molecule observation apparatus, wherein the automatic adjustment means automatically adjusts measurement conditions by changing at least one of exposure time, detector sensitivity, and excitation light intensity.
警告および指示の少なくとも1つをユーザに提示する、警告指示手段と、
を有することを特徴とする単一核酸分子観察装置。 The single nucleic acid molecule observation device according to claim 1, further comprising:
A warning instruction means for presenting at least one of a warning and an instruction to the user;
An apparatus for observing a single nucleic acid molecule, comprising:
前記警告指示手段は、単一核酸分子観察装置の動作、特定の音、LEDの点灯、消灯、表示装置に図や文字で表示、のうちの少なくとも1つを実行することを特徴とする単一核酸分子観察装置。 In the single nucleic acid molecule observation apparatus according to claim 15,
The warning instruction means executes at least one of an operation of a single nucleic acid molecule observation device, a specific sound, an LED on / off, and a display or a figure on a display device. Nucleic acid molecule observation device.
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