JP2010032400A - Biochip reader - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、バイオチップの表面に励起光を照射する照明光学系を備え、前記励起光に基づく蛍光像を読取るバイオチップ読取装置に関する。 The present invention relates to a biochip reader that includes an illumination optical system that irradiates the surface of a biochip with excitation light and reads a fluorescent image based on the excitation light.
バイオチップの表面に励起光を照射し、励起光によって励起された蛍光が作る蛍光像を読取るバイオチップ読取装置が知られている。この装置では、バイオチップ表面の蛍光像を受光器上に結像させ、受光器で検出された受光量に基づいて試料の蛍光強度を検出している。
しかしながら、従来の装置では、バイオチップの表面が励起光の焦点位置に正確に配置されていなければ、充分な蛍光強度を得ることができず、高い読取精度を得ることはできない。 However, in the conventional apparatus, unless the surface of the biochip is accurately arranged at the focal position of the excitation light, sufficient fluorescence intensity cannot be obtained, and high reading accuracy cannot be obtained.
すなわち、バイオチップの表面が励起光の焦点位置から外れると、バイオチップの表面に照射される励起光の単位面積あたりの光強度が低下するので、励起される蛍光の強度も低下し、受光器に結像する蛍光像が暗くなってしまう。 That is, when the biochip surface deviates from the focal position of the excitation light, the light intensity per unit area of the excitation light irradiated on the biochip surface decreases, so the intensity of the excited fluorescence also decreases. The fluorescent image formed on the screen becomes dark.
バイオチップの位置がずれる原因には、バイオチップを保持するサンプルホルダーの加工精度や、サンプルホルダーと光学系との組立精度などがあるが、バイオチップ自身の寸法精度も大きく関係している。 The cause of the position of the biochip is the processing accuracy of the sample holder holding the biochip and the assembly accuracy of the sample holder and the optical system, but the dimensional accuracy of the biochip itself is also greatly related.
一般に、バイオチップ読取装置は、図5(a)に示す如く、バイオチップ100をサンプルホルダー400により保持し、バイオチップ100の表面が光学系(対物レンズ)300の焦点位置に来るように配置している。
In general, as shown in FIG. 5A, the biochip reader is arranged so that the
ここで、図5(b)のように、サンプルホルダー400にホコリなどの異物450が付着した場合には、バイオチップ100の表面が傾き、場所によっては焦点位置から外れてしまう。
Here, as shown in FIG. 5B, when a
また、図5(c)〜(e)は、バイオチップ100における寸法精度の様子を示したものである。図5(c)はバイオチップ100の平面度、図5(d)はバイオチップ100の厚さの公差、図5(e)はバイオチップ100の歪みや重量による撓みの様子を示したものである。
5C to 5E show the dimensional accuracy of the
このように、種々の原因によりバイオチップの表面位置が焦点からずれると、検出される蛍光強度が大幅に低下するため、高い読取精度を得ることができない。 As described above, when the surface position of the biochip deviates from the focus due to various causes, the fluorescence intensity to be detected is greatly reduced, so that high reading accuracy cannot be obtained.
JIS R3703によれば、バイオチップ用の素材としても用いられる顕微鏡用のスライドガラスの場合、厚さの公差は厚い方向に+0.1mm、薄い方向に−0.2mmまで、1包装中であっても±0.1mmと規定されており、平面度も0.05mm以下と規定されている。このため、読取装置はバイオチップ表面に常に一定強度以上の励起光を照射するためには、平面度だけを考慮しても±50μm、厚さ公差も考慮すると±100μm以上の焦点深度を持たせる必要がある。 According to JIS R3703, in the case of a glass slide for a microscope that is also used as a material for a biochip, the thickness tolerance is +0.1 mm in the thick direction and -0.2 mm in the thin direction. Is defined as ± 0.1 mm, and the flatness is also defined as 0.05 mm or less. For this reason, in order to constantly irradiate the biochip surface with excitation light having a certain intensity or more, the reading device has a depth of focus of ± 50 μm even when considering only flatness, and ± 100 μm or more considering thickness tolerance. There is a need.
また、図6は従来の励起方式を示すもので、図6(a)はシングルビームの場合、図6(b)はマルチビームの場合を示している。一般に、従来の読取装置では、バイオチップに励起光を照射するレンズと蛍光を受光するレンズとを共用しているために、レンズの焦点深度を深くすることができず、上記のような焦点深度を持たせることはできなかった。言い換えれば、図に示す如く、励起光の広がり角φまたは入射角δが大きくなっている。 FIG. 6 shows a conventional excitation method. FIG. 6A shows a single beam case, and FIG. 6B shows a multi-beam case. In general, in the conventional reader, since the lens that irradiates the biochip with the excitation light and the lens that receives the fluorescence are shared, the focal depth of the lens cannot be increased. Could not have In other words, as shown in the figure, the spread angle φ or the incident angle δ of the excitation light is large.
本発明は、上記のような従来装置の欠点をなくし、バイオチップの光軸方向の位置ずれに基づく読取精度の低下を抑制することのできるバイオチップ読取装置を簡単な構成により実現することを目的としたものである。 An object of the present invention is to realize a biochip reader with a simple configuration that eliminates the drawbacks of the conventional device as described above and can suppress a decrease in reading accuracy based on a positional deviation of the biochip in the optical axis direction. It is what.
本発明のバイオチップ読取装置は、バイオチップの表面に励起光を照射する照明光学系を備え、前記励起光に基づく蛍光像を読取るバイオチップ読取装置において、前記照明光学系は、前記バイオチップの表面に対して前記励起光を垂直かつ平行に照射することを特徴とする。
このバイオチップ読取装置によれば、バイオチップの表面に対し励起光が垂直に照射されるので、バイオチップの光軸方向の位置ずれに基づく励起光量の変化を抑制でき読取精度の低下を抑制できる。
The biochip reader of the present invention includes an illumination optical system that irradiates the surface of the biochip with excitation light, and in the biochip reader that reads a fluorescent image based on the excitation light, the illumination optical system includes the biochip. The excitation light is irradiated perpendicularly and parallel to the surface.
According to this biochip reader, since the excitation light is irradiated perpendicularly to the surface of the biochip, it is possible to suppress the change in the amount of excitation light based on the displacement of the biochip in the optical axis direction and to suppress the decrease in reading accuracy. .
前記照明光学系は、励起光の広がり角を狭角に調整し、バイオチップ表面に垂直に近い入射角で照射するように構成され、励起光学系の焦点深度がスライドガラスのばらつきの範囲で影響を受けないように焦点深度±50μm以上となるように構成されてもよい。 The illumination optical system is configured to adjust the divergence angle of the excitation light to a narrow angle and irradiate at an incident angle close to perpendicular to the biochip surface, and the focal depth of the excitation optical system is affected in the range of variation of the slide glass. It may be configured to have a depth of focus of ± 50 μm or more so as not to receive light.
本発明のバイオチップ読取装置によれば、バイオチップの表面に対し励起光が垂直に照射されるので、バイオチップの光軸方向の位置ずれに基づく励起光量の変化を抑制でき読取精度の低下を抑制できる。 According to the biochip reader of the present invention, since the excitation light is irradiated perpendicularly to the surface of the biochip, it is possible to suppress the change in the amount of excitation light based on the positional deviation in the optical axis direction of the biochip and to reduce the reading accuracy. Can be suppressed.
以下、図1〜図4を参照して、本発明によるバイオチップ読取装置の一実施形態について説明する。 Hereinafter, an embodiment of a biochip reader according to the present invention will be described with reference to FIGS.
図1は、本実施形態のバイオチップ読取装置における光学系の構成を示す図である。 FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of an optical system in the biochip reader according to the present embodiment.
図1に示すように、本実施形態のバイオチップ読取装置は、バイオチップ1の表面11に励起光を照射する照明光学系20と、照明光学系20により照射された励起光に基づく蛍光像を結像させる結像光学系30と、バイオチップ1を保持する機構(サンプルホルダー)40とを備える。
As shown in FIG. 1, the biochip reader of this embodiment includes an illumination
バイオチップ1の表面11には、蛍光試薬でラベル付けされた試料から成る複数のサイト12が2次元配置されている。バイオチップ1はバイオチップ保持用のサンプルホルダー40の上に保持されている。
A plurality of sites 12 made of a sample labeled with a fluorescent reagent are two-dimensionally arranged on the surface 11 of the biochip 1. The biochip 1 is held on a
照明光学系20は、レーザ光を励起光として発生させるレーザ光源21と、レーザ光源21からのレーザ光を平行光にするレンズ22と、マイクロレンズ23aが形成された透明な回転板23と、集光のためのレンズ24および25と、励起光のみを選択的に反射させ蛍光のみを選択的に透過させるダイクロイックミラー26を備える。回転板23はモータ27の回転軸28に取り付けられ、モータ27の駆動力により回転される。レンズ22からの平行光が回転板23に入射すると、レーザ光は各マイクロレンズ23aによりそれぞれ集光されてバイオチップ1を照射する。
The illumination
モータ27により回転板23を回転させると、バイオチップ1の表面11が各マイクロレンズ23aで絞られた励起光ビームにより走査される。マイクロレンズ23aは、その各ビームがバイオチップ1の各サイト12を個別に走査できるような空間位置関係で回転板23上に配置されている。このような構成により、レーザ光によるスペックルノイズの発生を防ぐことができる。
When the rotating
結像光学系30は、レンズ31と、励起光を除去し蛍光のみを選択的に透過させるバリアフィルタ32と、対物レンズ33と、を備える。励起光により励起されたバイオチップ1のサイト12からの蛍光は、レンズ31、バリアフィルタ32、対物レンズ33を介して受光器4に入射し、受光器4に結像する。
The imaging optical system 30 includes a
本実施形態のバイオチップ読取装置では、励起光ビームがバイオチップ1の表面11の全面に垂直に照射されるように、照明光学系20が構成されている。このため、バイオチップ1の表面11の位置が正規位置から図1に示すP方向(光軸方向)にずれても、励起光ビームの強度が変わらない。したがって、励起光の強度の変動や強度ムラに起因する検出精度の低下を防止できる。
In the biochip reader of the present embodiment, the illumination
図2は広がり角φを持つ励起光を、バイオチップ表面に入射角δで照射した場合の焦点深度の関係を示すものである。図3は焦点深度と最大入射角の関係をバイオチップで多く使用されるCy5色素の励起波長である波長640nmの条件で図示したものである。図3に示すように、励起光は平行でなくても、励起光の広がり角を狭角に、バイオチップ表面に垂直に近い入射角にそれぞれ調整することにより、最大入射角が±4.6度の場合に±50μm、±3.3度の場合に±100μmの焦点深度を得ることが可能である。 FIG. 2 shows the relationship of the depth of focus when the excitation light having the divergence angle φ is irradiated onto the biochip surface at the incident angle δ. FIG. 3 illustrates the relationship between the depth of focus and the maximum incident angle under the condition of a wavelength of 640 nm, which is the excitation wavelength of the Cy5 dye often used in biochips. As shown in FIG. 3, even if the excitation light is not parallel, the maximum incident angle is ± 4.6 by adjusting the divergence angle of the excitation light to a narrow angle and the incident angle close to perpendicular to the biochip surface. It is possible to obtain a focal depth of ± 50 μm in the case of degrees and ± 100 μm in the case of ± 3.3 degrees.
励起光により励起された蛍光は、サイト12の試料から放射状にすべての方向に放射される。本実施形態のバイオチップ読取装置では、励起系と受光系の経路が別になっているため、励起系と受光系の開口数を別に設定することができる。このため、本バイオチップ読取装置の受光系は受光光量を増加させ検出感度を高めるために開口数が極力大きくなるように結像光学系30を構成している。 The fluorescence excited by the excitation light is emitted radially from the sample at the site 12 in all directions. In the biochip reader according to the present embodiment, the excitation system and the light receiving system have different paths, so that the numerical apertures of the excitation system and the light receiving system can be set separately. For this reason, the imaging optical system 30 is configured such that the numerical aperture of the light receiving system of the biochip reader increases as much as possible in order to increase the amount of received light and increase the detection sensitivity.
図4は、正規の焦点位置からのずれ量と受光量との関係を例示する実測例である。図4において、実線51は本発明によるバイオチップ読取装置における関係を、点線52は従来型の読取装置による比較例における関係を、それぞれ示している。正規の焦点位置の受光量から10%減少する点の範囲を見ると本発明が250μm、従来型が18μmで本発明が深い焦点深度を達成していることがわかる。
FIG. 4 is an actual measurement example illustrating the relationship between the amount of deviation from the normal focal position and the amount of received light. In FIG. 4, a
以上説明したように、本発明のバイオチップ読取装置によれば、バイオチップの表面に対し励起光が垂直に照射、または励起光を許容される焦点深度となるような広がり角と入射角で照射されるので、バイオチップの光軸方向の位置ずれに基づく励起光量の変化を抑制でき読取精度の低下を抑制できる。 As described above, according to the biochip reader of the present invention, the excitation light is irradiated perpendicularly to the surface of the biochip, or the excitation light is irradiated at a divergence angle and an incident angle that give an allowable depth of focus. Therefore, a change in the amount of excitation light based on the positional deviation of the biochip in the optical axis direction can be suppressed, and a decrease in reading accuracy can be suppressed.
本発明の適用範囲は上記実施形態に限定されることはない。本発明は、バイオチップの表面に励起光を照射する照明光学系を備え、前記励起光に基づく蛍光像を読取るバイオチップ読取装置に対し、広く適用することができる。 The scope of application of the present invention is not limited to the above embodiment. The present invention can be widely applied to a biochip reader that includes an illumination optical system that irradiates the surface of a biochip with excitation light and reads a fluorescent image based on the excitation light.
1、100 バイオチップ
11 表面
20 照明光学系
30 結像光学系
40 バイオチップ保持機構
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,100 Biochip 11
Claims (2)
前記照明光学系は、前記バイオチップの表面に対して前記励起光を垂直に照射することを特徴とするバイオチップ読取装置。 In a biochip reader that includes an illumination optical system that irradiates the surface of the biochip with excitation light and reads a fluorescent image based on the excitation light,
The biochip reader is characterized in that the illumination optical system irradiates the excitation light perpendicularly to the surface of the biochip.
前記照射光学系は、励起光の広がり角を狭角に調整し、バイオチップ表面に垂直に近い入射角で照射するように構成され、励起光学系の焦点深度が50μm以上となるように構成されることを特徴とするバイオチップ読取装置。 In a biochip reader that includes an illumination optical system that irradiates the surface of the biochip with excitation light and reads a fluorescent image based on the excitation light,
The irradiation optical system is configured to adjust the divergence angle of excitation light to a narrow angle and irradiate at an incident angle near to the biochip surface perpendicularly, and is configured so that the focal depth of the excitation optical system is 50 μm or more. A biochip reader characterized by that.
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