JP2010078505A - 生体高分子検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】入射光量と出力値が一次関数の関係にない場合であっても、良好に判定できるようにする。
【解決手段】生体高分子検出装置８０は、複数の受光素子２０を有する固体撮像デバイス１０と、固体撮像デバイス１０の受光面上に点在したスポット６０と、固体撮像デバイス１０を駆動する駆動回路７０と、一次関数の傾き及び切片を記憶した記憶装置８２と、光センシング時間を１秒に設定した状態で駆動回路７０に駆動動作を行わせることを１回行い、光センシング時間を３秒に設定した状態で駆動回路７０に駆動動作を行わせることを１回行い、加重平均値を求めるコントローラと、を備える。
【選択図】図１０

Description

本発明は、固体撮像デバイスを用いた生体高分子検出装置に関する。

近年、様々な生物種の遺伝子の発現解析を行っている。遺伝子の発現解析とは、細胞で発現している遺伝子を同定することであり、具体的には、遺伝子をコードするＤＮＡから転写されているｍＲＮＡを同定することである。

遺伝子の発現解析のためにＤＮＡマイクロアレイ及びその読取装置が開発されている。ＤＮＡマイクロアレイは、プローブとなる既知の塩基配列のｃＤＮＡ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（例えば特許文献１参照）。ここで、既知の塩基配列のｃＤＮＡとしては、検体において既知のｍＲＮＡと同一、またはその一部と同一の塩基配列のｃＤＮＡが用いられる。ＤＮＡマイクロアレイ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、複数種類の配列既知の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マイクロアレイを準備する。次に、検体からｍＲＮＡを抽出し、逆転写酵素を用いて蛍光物質で標識したｃＤＮＡ（以下、サンプルＤＮＡという）を合成する。次に、サンプルＤＮＡを蛍光物質で標識化してからＤＮＡマイクロアレイ上に添加すると、サンプル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マイクロアレイ上に固定される。サンプルＤＮＡを標識する蛍光物質は励起されるとサンプルＤＮＡが結合したプローブＤＮＡの位置から蛍光を発することになる。

次いで、ＤＮＡマイクロアレイ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、励起光の照射点をＤＮＡマイクロアレイに対して二次元的に移動し、それと共に集光レンズ及びフォトマルチプライヤーによってＤＮＡマイクロアレイを二次元走査する。励起光により励起された蛍光物質から発した蛍光を集光レンズで集光させ、蛍光強度をフォトマルチプライヤーで計測することで、ＤＮＡマイクロアレイの面内の蛍光強度分布を計測し、これにより、ＤＮＡマイクロアレイ上の蛍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蛍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サンプル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、配列既知のｍＲＮＡのうち、どれが検体で発現しているかを同定することができる。また、mRNAの定量値を指標として、疾病に罹患しているか否かを診断したり、mRNAを定量することにより、腫瘍細胞が抗癌剤に対して感受性があるかを判定することができる（特許文献２、３）。
特開２００２−２８６６４３号公報 特許第３５０７８８４号公報 特許第４０５８２６３号公報

ところで、発明者等は、固体撮像デバイスの受光面にプローブＤＮＡをスポットした生体高分子検出チップを開発している。このような生体高分子検出チップでは、固体撮像デバイスによって取得した画像データのうち受光量が相対的に多い部分のアドレスが、サンプルＤＮＡの付着したスポットの位置に相当する。そのため、その受光量が多い部分のアドレスを特定することで、複数のスポットのうちどのスポットにサンプルＤＮＡの付着したかを特定することができ、サンプルＤＮＡの配列を特定することができる。かかる生体高分子検出チップではスポットが固体撮像デバイスの受光面に点在しているから、レンズ等を必要とせず、装置が小型になるという利点がある。

固体撮像デバイスは、入射光量を電気信号に線型変換して出力する複数の光電変換素子を二次元アレイ状に並べたものである。固体撮像デバイスのダイナミックレンジ内では、入射光量と光電変換素子の出力値が一次関数の関係であることが好ましい。しかし、入射光量と出力値が一次関数の関係になる範囲が狭く、固体撮像デバイスのダイナミックレンジが狭い。また、ダイナミックレンジを広げる為に入射光量と光電変換素子の出力値の関係を精細に示したテーブルを作成し、当該入射光量を判定していたが、多大なデータ量を記憶する記憶装置が必要であるという課題があった。
そこで、本発明は、入射光量と出力値が一次関数の関係にない場合であっても、また、多大な記憶装置を必要とせず、良好に判定できるようにすることである。

以上の課題を解決するために、本発明によれば、生体高分子検出装置において、
受光面と、前記受光面の下において配列された複数の受光素子とを有する固体撮像デバイスと、
既知の生体高分子からなり、前記固体撮像デバイスの受光面上に点在した複数種のスポットと、
前記固体撮像デバイスを駆動することによって、前記受光素子で光電変換が行われる光センシング時間において前記受光素子の入射光量に応じた出力値を出力するとともに、前記光センシング時間を変更可能な駆動回路と、
前記光センシング時間を第１時間とした場合における前記受光素子の出力値及び前記光センシング時間を第２時間とした場合における前記受光素子の出力値の加重平均を求めるコントローラと、を備えることを特徴とする。
前記コントローラは、前記加重平均と前記加重平均から求められた線形近似との乖離率は、−５％〜５％とするような、前記加重平均を求めることが好ましい。
前記コントローラは、前記加重平均から線形近似の回帰方程式を求めることが好ましい。
前記コントローラは、前記加重平均から求められた線形近似の回帰方程式に基づいて前記受光素子の入射光量を求めるが好ましい。
前記加重平均から線形近似の回帰方程式の傾き及び切片を記憶した記憶装置を有することが好ましい。
前記記憶装置から傾きと切片を読み出し、計測時の前記加重平均値によって、入射光量値を求めることを特徴とする。
予め標準の分子量に相当する蛍光物質の入射光量値を測定して標準値としておくことで、当該mRNA量は、当該入射光量値と標準入射光量値との比率で当該分子量を定量化できることを特徴とする。

本発明によれば、光センシング時間を第１時間に設定した場合の光電変換素子の出力値と、光センシング時間を第２時間に設定した場合の光電変換素子の出力値とに基づいた加重平均から線形近似の回帰方程式を求めることができ、良好に判定できる。

以下に、本発明を実施するための好ましい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。

〔１〕生体高分子検出装置の概要
図１は、本発明の実施形態における生体高分子検出装置８０の主要部を示した斜視図である。
図１に示すように、この生体高分子検出装置８０においては、生体高分子検出チップ１、冷却装置２及び温度センサ３が伝熱台４の上に搭載されている。伝熱台４の上方に励起光照射装置８１が配設されている。

この生体高分子検出チップ１は、固体撮像デバイス１０、スポット６０，６０，…、駆動回路７０及び記憶装置８２を有する。

固体撮像デバイス１０はその受光面を励起光照射装置８１に向けた状態で熱伝導性のよい伝熱台４の上に設置される。また、固体撮像デバイス１０は、伝熱台４から取り外し可能とされている。
スポット６０，６０，…は、固体撮像デバイス１０の有効画素領域１１の受光面に点着されている。スポット６０，６０，…は、マトリクス状に配列されている。
駆動回路７０及び記憶装置８２は、有効画素領域１１の周囲の領域１２に搭載されている。駆動回路７０及び記憶装置８２には、フレキシブル配線シート８３が接続されている。

〔２〕固体撮像デバイス
図２〜図４を用いて固体撮像デバイス１０について説明する。図２は、図１における１つのスポット６０を拡大した平面図である。図３は、ハイブリダイゼーションによってスポット６０に残った標識化された蛍光物質の蛍光を受光するための光電変換素子である１つのダブルゲートトランジスタからなる受光素子２０を示す平面図である。図４は、図３に示されたIV−IVに沿った面の矢視断面図である。

図２に示すように、固体撮像デバイス１０には、複数の受光素子２０，２０，…が縦横に配列されている。また、固体撮像デバイス１０には、複数のボトムゲートライン４１、ソースライン４２、ドレインライン４３及びトップゲートライン４４が設けられている。

図４に示すように、固体撮像デバイス１０は、透明基板１３と、ボトムゲート絶縁膜２２と、トップゲート絶縁膜２９と、保護絶縁膜３２と、励起光遮蔽膜３３と、スポット固定層３４とが積層されている。

透明基板１３は、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、ガラス基板（例えば、石英ガラス製の基板）、プラスチック基板（例えば、ポリカーボネート又はＰＭＭＡ製の基板）その他の絶縁性透明基板である。

ボトムゲート絶縁膜２２、トップゲート絶縁膜２９及び保護絶縁膜３２は、絶縁性及び光透過性を有し、例えば窒化シリコン膜、酸化シリコン膜である。
励起光遮蔽膜３３は、励起光照射装置８１から放射される励起光（例えば、紫外線波長域の光）を遮蔽するとともに励起光と波長の異なる蛍光（例えば、可視光波長域の光）を透過する性質を有する。
スポット固定層３４は、スポット６０となるプローブとシランカップリング剤等によって共有結合することで、スポット６０を固定する。

この固体撮像デバイス１０においては、受光素子２０が光電変換素子として利用され、受光素子２０が画素である。複数の受光素子２０，２０，…が透明基板１３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ている。１行、１列目の受光素子２０のアドレスを（１、１）とし、ｎ行、ｍ列目の受光素子２０のアドレスを（ｎ、ｍ）と設定している。これら受光素子２０，２０，…が保護絶縁膜３２によってまとめて被覆されている。なお、図３では８行×８列の６４個の受光素子２０，２０，…が示されているが、受光素子２０の数は複数であれば、６４個に限定するものではない。

図３、図４に示すように、受光素子２０は、ダブルゲートトランジスタであり、ボトムゲート電極２１、ボトムゲート絶縁膜２２と、半導体膜２３、チャネル保護膜２４、不純物半導体膜２５、不純物半導体膜２６、ソース電極２７、ドレイン電極２８、トップゲート絶縁膜２９及びトップゲート電極３１を有する。

ボトムゲート電極２１は透明基板１３とボトムゲート絶縁膜２２との間に形成されている。半導体膜２３、チャネル保護膜２４、不純物半導体膜２５、不純物半導体膜２６、ソース電極２７及びドレイン電極２８はボトムゲート絶縁膜２２とトップゲート絶縁膜２９との間に形成されている。トップゲート電極３１はトップゲート絶縁膜２９と保護絶縁膜３２との間に形成されている。

ボトムゲート電極２１は、受光素子２０ごとに透明基板１３上に形成されている。また、透明基板１３とボトムゲート絶縁膜２２との間には、複数本のボトムゲートライン４１，４１，…が形成され、これらボトムゲートライン４１，４１，…が互いに平行となって行方向（横方向）に延在している。行方向に配列された同一の行の受光素子２０，２０，…のボトムゲート電極２１が共通のボトムゲートライン４１と一体となって形成されている。ボトムゲート電極２１及びボトムゲートライン４１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からなる。

半導体膜２３は、ボトムゲート電極２１との間にボトムゲート絶縁膜２２を挟んで、ボトムゲート電極２１に相対している。半導体膜２３は、受光素子２０ごとに独立して形成されている。半導体膜２３が受光部であり、半導体膜２３に入射した光量に応じた量の電子−正孔対が半導体膜２３内に形成される。半導体膜２３は、アモルファスシリコンからなる。

チャネル保護膜２４は、半導体膜２３の中央部上に形成されている。チャネル保護膜２４は、受光素子２０ごとに独立してパターニングされたものである。チャネル保護膜２４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からなる。チャネル保護膜２４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２３を保護するものである。半導体膜２３に光が入射すると、半導体膜２３で生成された電子−正孔対の担体のうちの正孔がチャネル保護膜２４と半導体膜２３との界面付近に蓄積される。

不純物半導体膜２５は、半導体膜２３の一部に重なるように形成されている。不純物半導体膜２５の一部は、チャネル保護膜２４に重なっている。不純物半導体膜２６は、半導体膜２３の別の部分に重なるように形成されている。不純物半導体膜２６の一部は、チャネル保護膜２４に重なっている。不純物半導体膜２５，２６は、受光素子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２５，２６は、ｎ型の不純物（例えば、ホスフィン）を含むアモルファスシリコン（ｎ⁺シリコン）からなる。

ソース電極２７は、不純物半導体膜２５に重なっている。ドレイン電極２８は、不純物半導体膜２６に重なっている。ソース電極２７及びドレイン電極２８は受光素子２０ごとに形成されている。ボトムゲート絶縁膜２２とトップゲート絶縁膜２９との間には、複数本のソースライン４２，４２，…及びドレインライン４３，４３，…が形成され、これらソースライン４２，４２，…及びドレインライン４３，４３，…が列方向（縦方向）に延在している。列方向に配列された同一の列の受光素子２０，２０，…のソース電極２７は共通のソースライン４２と一体となって形成されており、列方向に配列された同一の列の受光素子２０，２０，…のドレイン電極２８は共通のドレインライン４３と一体なって形成されている。ソース電極２７、ドレイン電極２８、ソースライン４２及びドレインライン４３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からなる。

トップゲート電極３１は、半導体膜２３との間にチャネル保護膜２４及びトップゲート絶縁膜２９を挟んで、半導体膜２３に相対している。トップゲート電極３１は、受光素子２０ごとにトップゲート絶縁膜２９上に形成されている。また、トップゲート絶縁膜２９と保護絶縁膜３２との間には、複数本のトップゲートライン４４，４４，…が形成され、これらトップゲートライン４４，４４，…が互いに平行となって行方向に延在している。行方向に配列された同一の行の受光素子２０，２０，…のトップゲート電極３１が共通のトップゲートライン４４と一体となって形成されている。トップゲート電極３１及びトップゲートライン４４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。

以上のように構成された固体撮像デバイス１０はスポット固定層３４の表面３５を受光面としており、固体撮像デバイス１０が駆動されることによって受光素子２０の半導体膜２３に入射した光量が電気信号に変換される。

図５、図６は、受光素子２０の感光特性を示したグラフである。
図５においては、横軸は、光センシング時間（単位：秒）を表し、縦軸は、受光素子２０の光電変換によるドレインライン４３への出力電圧に基づいて換算した出力値（単位：任意単位）であり、この出力値は、受光素子２０への受光量が多いほど増大する。図５において、受光素子２０への入射光量は、1.0 mcd、0.5 mcd、0.2 mcd又は0.0 mcdとした。また、光センシング時間とは、所謂露出時間である。つまり、光センシング時間は、受光素子２０に光を照射して、受光素子２０にキャリアが蓄積されて、受光素子２０で光電変換が行われている時間をいう。
図６においては、横軸は、受光素子２０への入射光量（単位：ｍｃｄ）を表し、縦軸は、その入射光量による受光素子２０のドレインライン４３への出力電圧を換算した出力値（単位：任意単位）を表す。図６において、光センシング時間を、それぞれ１秒、３秒とした。本実施形態では、第１時間が１秒であり、第２時間が３秒である。

図６から明らかなように、光センシング時間が１秒又は３秒の場合、入射光量と出力値の関係を表す線が曲線であるから、出力値が入射光量の一次関数ではない。光センシング時間が１秒における出力値の３倍と３秒における出力値の和を４で割った値である加重平均から求められた線形近似の回帰方程式（１）は、
出力値＝１９．５９１×入射光量（ｍｃｄ）−９．４６７３ ．．． （１）
となる。加重平均の、傾き１９．５９１、切片−９．４６７３における線形近似の回帰方程式に対する乖離率は２．４％〜−４．４％の範囲内に収まった。なお乖離率は、−５％〜５％の範囲内に収まることが好ましい。したがって、線形近似の回帰方程式から出力値を代入することにより入射光量を計測することが出来る。具体的には、後述するコントローラ８４が、あるスポット６０に位置する受光素子２０において、１秒の光センシング時間で読み取った出力値と３秒の光センシング時間で読み取った出力値とをそれぞれ測定し、１秒の光センシング時間の出力値を３倍して、３秒の光センシング時間の出力値を加算して４で割った出力値の加重平均を算出し、この出力値の加重平均を下記式（２）の出力値に代入することによって入射光量を求めることが可能となる。また、予め判明しているmRNAの分子量を標準分子量とし、それに相当する蛍光物質の分子量が発する蛍光量を本固体撮像デバイスで測定し、標準入射光量としておくことで、当該mRNA量は、当該入射光量と標準入射光量との比率に基づいて求めることが可能となる。
入射光量＝（出力値＋９．４６７３）／１９．５９１ ．．．（２）
なお、当該mRNA量は下記式（３）の当該入射光量に対象の入射光量を代入することでもとめることができる。
当該mRNA量＝（当該入射光量／標準入射光量）×標準分子量 ．．．（３）
上記の式（３）により、当該mRNA量が２．４％〜−４．４％の精度で求められる。
ここで、信号蓄積時間が１秒の場合における出力値の重み係数を３とし、信号蓄積時間が３秒の場合における出力値の重み係数を１とし、加重平均は以下のようにして求められる。
加重平均＝｛（信号蓄積時間が１秒の場合の出力値）×３＋（信号蓄積時間が３秒の場合の出力値）×１｝／（３＋１）

回帰分析（最小二乗法）によって、この加重平均の曲線から線形近似の回帰方程式を求めて、傾き（比例係数）及び切片を得る。このようにして予め得られた傾き及び切片が記憶装置８２に記録されている。

図７は、入射光量が0.2 mcd、0.5 mcd、1.0 mcdである場合において、光センシング時間１秒の場合の出力値、光センシング時間３秒の場合の出力値、それらの加重平均、線形近似、加重平均と線形近似との乖離率を示したものである。

〔３〕スポット
図１、図２に示すように、固体撮像デバイス１０の受光面３５にはスポット６０，６０，…が形成されている。スポット６０は、既知の塩基配列のｃＤＮＡ（プローブＤＮＡ）の群集であったり、既知の抗体の群集であったりする。スポット６０は、プローブとなるｃＤＮＡ（プローブＤＮＡ）、抗体その他生体高分子の溶液を固体撮像デバイス１０の受光面３５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ＤＮＡが多数集まってその群集が固定化されている。スポット６０ごとにプローブＤＮＡの塩基配列が異なっている。プローブＤＮＡとしては、既知のｍＲＮＡの塩基配列が用いられたり、その一部と同一の又は相補的な塩基配列のＤＮＡが用いられたりする。具体的には、例えば、蛍光標識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。

図２に示すように、１つのスポット６０は複数の受光素子２０上に重なるように形成されている。なお、固体撮像デバイス１０の受光面３５に点着されたスポット６０の数はいくつであってもよい。また、１つのスポット６０に重なる受光素子２０の数はいくつであってもよい。

〔４〕光遮蔽
図１に示すように、固体撮像デバイス１０の受光面３５の一部には光遮蔽物６５が設けられている。光遮蔽物６５は、光を遮蔽するものである。従って、光遮蔽物６５の下にある受光素子２０には、励起光及び蛍光等が入射しない。

〔５〕駆動回路
図８は、固体撮像デバイス１０及びその周辺回路を示した回路図である。
図１に示された駆動回路７０は、図８に示すようにトップゲートドライバ７１、ボトムゲートドライバ７２及びドレインドライバ７３を有する。

固体撮像デバイス１０のトップゲートライン４４，４４，…がトップゲートドライバ７１の端子に接続され、ボトムゲートライン４１，４１，…がボトムゲートドライバ７２の端子に接続され、ドレインライン４３，４３，…がドレインドライバ７３の端子に接続されている。また、固体撮像デバイス１０のソースライン４２，４２，…が一定電圧源に接続され、この例ではソースライン４２，４２，…が接地されている。トップゲートドライバ７１は、トップゲートライン４４，４４，…を列方向に走査する第一の走査ドライバである。ボトムゲートドライバ７２は、ボトムゲートライン４１，４１，…を列方向に走査する第二の走査ドライバである。

図９は、固体撮像デバイス１０を駆動するための信号の推移を示したタイミングチャートである。
トップゲートドライバ７１は、トップゲートライン４４，４４，…を順次選択することによって、受光素子２０，２０，…を線順次に選択して走査する。具体的には、図９に示すように、トップゲートドライバ７１はトップゲートライン４４，４４，…に、各受光素子２０に蓄積された正孔を排除するためのリセットパルスを順次出力する。リセットパルスのレベルは＋５〔Ｖ〕のハイレベルである。一方、トップゲートドライバ７１は、リセットパルスを出力しない時にローレベルの−２０〔Ｖ〕の電位をそれぞれのトップゲートライン４４に印加するようになっている。トップゲートドライバ７１としては、シフトレジスタを用いることができる。この負電位によって電子−正孔対のうちの正孔を半導体膜２３内に生成された電子−正孔対のうちの正孔を電気的に捕捉する。

ボトムゲートドライバ７２は、ボトムゲートライン４１，４１，…を順次選択することによって、受光素子２０，２０，…を線順次に選択して走査する。具体的には、図９に示すように、ボトムゲートドライバ７２は、ボトムゲートライン４１，４１，…にリードパルスを順次出力する。リードパルスのレベルは＋１０〔Ｖ〕のオンレベル（ハイレベル）であり、リードパルスが出力されていない時のレベルは±０〔Ｖ〕のオフレベル（ローレベル）である。ボトムゲートドライバ７２としては、シフトレジスタを用いることができる。

トップゲートドライバ７１の水平走査周期（任意の行にリセットパルスを出力してから次の行にリセットパルスを出力するまでの期間）と、ボトムゲートドライバ７２の水平走査周期（任意の行にリードパルスを出力してから次の行にリードパルスを出力するまでの期間）とが等しい。また、ボトムゲートドライバ７２によるリードパルスの立ち上がりは、トップゲートドライバ７１によるリセットパルスの立ち下がりの後にずれており、この間が、受光素子２０は入射光の光量に応じた量の正孔を蓄積する光センシング時間となる。

具体的には、トップゲートドライバ７１が何れかの行のトップゲートライン４４にリセットパルスを出力した後に光センシング時間を経てボトムゲートドライバ７２が同じ行のボトムゲートライン４１にリードパルスを出力するように、トップゲートドライバ７１及びボトムゲートドライバ７２が出力信号をシフトする。

ドレインドライバ７３は、トップゲートドライバ７１によって読み出された受光素子２０，２０…の出力値を読み込み、読み込んだ受光素子２０，２０…の出力値を順次出力するものである。具体的には、図９に示すように、ドレインドライバ７３は、それぞれの行のリセットパルスが出力されてからリードパルスが出力されるまでの間に、全てのドレインライン４３，４３，…にプリチャージパルスを出力するようになっている。プリチャージパルスのレベルは＋５〔Ｖ〕のハイレベルであり、プリチャージパルスが出力されていない時のレベルは±０〔Ｖ〕のローレベルである。ドレインドライバ７３は、プリチャージパルスの出力後にドレインライン４３，４３，…の電圧（出力値）を列順次に出力するようになっている。これにより、固体撮像デバイス１０により画像入力がなされる。

また、トップゲートドライバ７１は、上述のように１行目から最終行目のトップゲートライン４４を順次選択することを複数回行うとともに、ボトムゲートドライバ７２は、上述のように１行目から最終行目のボトムゲートライン４１を順次選択することを複数回行う。そのため、固体撮像デバイス１０により複数回の画像入力が行われる。

ここで、固体撮像デバイス１０は、入射光量に対してよりリニア性のある加重平均を求めるため、光センシング時間が相互に異なる複数回の画像入力が行われる。コントローラ８４は、トップゲートドライバ７１によるリセットパルスの立ち下がりのタイミングとボトムゲートドライバ７２によるリードパルスの立ち上がりの間の光センシング時間を変えるようにトップゲートドライバ７１及びボトムゲートドライバ７２にクロック信号等の制御信号を出力している。具体的には、光センシング時間が１秒及び３秒の２回の画像入力が行われる。

〔６〕記憶装置
図１に示された記憶装置８２は、ハードディスクドライブ又は半導体記憶装置である。
記憶装置８２には、予め求められた式（１）の傾き及び切片が記録されている。以下、記憶装置８２に記録された傾きをＡとし、記憶装置８２に記録された切片をＢとする。
上述のように、傾きＡは、異なる光センシング時間における出力値の加重平均と入射光量との関係を回帰方程式により求めた一次関数の傾きであり、切片Ｂは、その一次関数の切片である。その一次関数を式で表すと、「ｙ＝Ａｘ＋Ｂ」となる。図６に示されたグラフの場合、Ａが１９５．９１であり、Ｂが−９．４６７３である。

〔７〕伝熱台
図１に示された伝熱台４は、熱伝導率の高い材料からなり、具体的には鉄、ステンレス鋼その他の金属材料からなる。

〔８〕冷却装置
図１に示された冷却装置２は、伝熱台４の熱を強制的に外部に放出することによって伝熱台４を冷却するものであり、具体的にはペルチェ素子、ヒートポンプその他の冷却装置である。

〔９〕温度センサ
図１に示された温度センサ３は、固体撮像デバイス１０の温度を検出して検出温度を電気信号に変換するものであり、具体的にはサーミスタ、熱電対その他の温度センサである。ここで、温度センサ３が伝熱台４の上に搭載され、伝熱台４の温度が温度センサ３によって検出されるが、伝熱台４の熱伝導率が高いから、固体撮像デバイス１０の温度が殆ど遅延無く温度センサ３によって検出される。なお、温度センサ３が固体撮像デバイス１０に設けられていてもよい。

〔１０〕その他の構成要素
図１０は生体高分子検出装置８０の構成を示すブロック図である。
生体高分子検出装置８０は、生体高分子検出チップ１、冷却装置２、温度センサ３、伝熱台４及び励起光照射装置８１のほか、コントローラ８４、出力装置８５、メモリ８６、Ａ／Ｄ変換器８７を備える。

図１に示されたフレキシブル配線シート８３によって記憶装置８２、トップゲートドライバ７１、ボトムゲートドライバ７２及びドレインドライバ７３がコントローラ８４に接続される。また、ドレインドライバ７３の出力端子は、フレキシブル配線シート８３によってＡ／Ｄ変換器８７に接続される。

コントローラ８４は、励起光照射装置８１の点灯・消灯を行う機能を有する。
コントローラ８４は、トップゲートドライバ７１、ボトムゲートドライバ７２の水平走査周期を設定することによって光センシング時間を設定する機能を有する。
コントローラ８４は、励起光照射装置８１を点灯した状態でトップゲートドライバ７１、ボトムゲートドライバ７２及びドレインドライバ７３に制御信号を出力することによって、設定した光センシング時間でトップゲートドライバ７１、ボトムゲートドライバ７２及びドレインドライバ７３を動作させる機能を有する。これにより、固体撮像デバイス１０の撮像動作を行う。

Ａ／Ｄ変換器８７は、ドレインドライバ７３の出力（各受光素子２０の出力値）を量子化してコントローラ８４に出力する。

コントローラ８４は、Ａ／Ｄ変換器８７の出力をメモリ８６に記録する機能を有する。これにより、固体撮像デバイス１０の受光面３５に沿った出力値分布が二次元の画像データとしてメモリ８６に記録される。

ここで、コントローラ８４は、トップゲートドライバ７１、ボトムゲートドライバ７２及びドレインドライバ７３を動作させて光センシング時間の異なる画像入力を２回行う。１回目については、コントローラ８４は、光センシング時間を１秒に設定し、その光センシング時間でトップゲートドライバ７１、ボトムゲートドライバ７２及びドレインドライバ７３を動作させる。２回目については、コントローラ８４は、光センシング時間を３秒にして、光センシング時間でトップゲートドライバ７１、ボトムゲートドライバ７２及びドレインドライバ７３を動作させる。これにより、メモリ８６には、１、２回目の画像データがそれぞれ記録される。

また、コントローラ８４は、１回目の各アドレスの受光素子２０の出力値をそれぞれ３倍にし、この値に２回目の同アドレスの受光素子２０の出力値を加算して４で割った出力値の加重平均を演算する。記憶装置８２に記録された傾きＡ及び切片Ｂを用いて、各アドレスの受光素子２０の出力値の加重平均を式（２）の出力値に代入し、各アドレスの受光素子２０の入射光量をそれぞれ求め、メモリ８６に記憶する。

また、コントローラ８４は、メモリ８６に記録された各アドレス及び各アドレスの入射光量に基づいた画像を出力装置８５に出力させる機能を有する。出力装置８５は、例えばプロッタ、プリンタ又はディスプレイである。

また、各受光素子２０の出力値は温度依存性があるので、コントローラ８４は、温度制御回路８８に対して、各受光素子２０が図５、図６の範囲の特性を維持するような設定温度を設定する機能を有する。
温度制御回路８８は冷却装置２を制御する。ここで、温度制御回路８８は、温度センサ３による検出温度をフィードバックし、その検出温度に基づき冷却装置２を制御することによって、設定温度に保つような定温度制御を行う。例えば、下閾値＜設定温度＜上閾値とした場合、検出温度が下閾値未満であるときには、温度制御回路８８が冷却装置２の冷却能力を上げ、検出温度が下閾値以上、上閾値以下であるときには、温度制御回路８８が冷却装置２の冷却能力を維持し、検出温度が上閾値を超えるときには、温度制御回路８８が冷却装置２の冷却能力を下げる。

〔１１〕分析手順
生体高分子検出装置８０を用いて試料を分析する方法について説明するとともに、生体高分子検出装置８０の使用方法及び動作方法について説明する。

〔１１−１〕蛍光標識ＤＮＡの作成
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、逆転写酵素を用いるＲＴ−ＰＣＲ反応により得られたｃＤＮＡを用いることができる。ｃＤＮＡは蛍光体で標識する。蛍光体としては、例えばＧＥヘルスケア バイオサイエンス株式会社製のＣｙ２（吸収波長４９１ｎｍ、蛍光波長５０９ｎｍ）、Ｃｙ３（吸収波長５５３ｎｍ、蛍光波長５６９ｎｍ）、Ｃｙ５（吸収波長６４５ｎｍ、蛍光波長６６４ｎｍ）等を用いることができる。

ｃＤＮＡを蛍光体で標識するには、例えば、蛍光体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を蛍光標識ＤＮＡという。

〔１１−２〕ハイブリダイゼーション
まず、蛍光標識ＤＮＡを含有した溶液（以下、蛍光標識ＤＮＡ）を固体撮像デバイス１０の受光面３５に塗布する。蛍光標識ＤＮＡ溶液を各スポット６０，６０，…に順次又は同時に滴下してもよい。

このとき、ＤＮＡが一本鎖となるように蛍光標識ＤＮＡ溶液を加熱する。また、スポット６０のＤＮＡが一本鎖となるように固体撮像デバイス１０の受光面３５も加熱する。

次いで、固体撮像デバイス１０を冷却する。すると、蛍光標識ＤＮＡ溶液内の蛍光標識ＤＮＡのうち、スポット６０のプローブＤＮＡと相補的な蛍光標識ＤＮＡは、そのプローブＤＮＡとハイブリダイズする。一方、プローブＤＮＡと相補的ではない蛍光標識ＤＮＡは、このスポット６０には結合しないか、結合したとしても僅かである。

その後、洗浄用バッファー溶液で蛍光標識ＤＮＡ溶液を固体撮像デバイス１０の受光面３５から洗い流し、蛍光標識ＤＮＡのうちハイブリダイズしなかったものを固体撮像デバイス１０の受光面３５から除去する。

〔１１−３〕サンプルの検出
上記処理を行った後、生体高分子検出チップ１を伝熱台４の上に設置し、フレキシブル配線シート８３をコントローラ８４に接続する。これにより、トップゲートドライバ７１、ボトムゲートドライバ７２、ドレインドライバ７３及び記憶装置８２がコントローラ８４に接続され、ドレインドライバ７３がＡ／Ｄ変換器８７に接続される。その後、コントローラ８４を起動させる。

まず、コントローラ８４が、起動後、温度制御回路８８に対して設定温度（例えば、１０℃）を設定する。そうすると、温度制御回路８８が、温度センサ３による検出温度をフィードバックしながら冷却装置２を制御する。これにより、伝熱台４及び固体撮像デバイス１０が設定温度になって、その設定温度に維持される。固体撮像デバイス１０が冷却装置２及び伝熱台４によって冷却されることで、固体撮像デバイス１０の暗電流が軽減される。

次に、コントローラ８４が励起光照射装置８１を点灯させる。励起光照射装置８１によってスポット６０，６０が照射される。そうすると、蛍光標識ＤＮＡがプローブＤＮＡに結合したスポット６０からは、蛍光が放出される。一方、蛍光標識ＤＮＡがプローブＤＮＡに結合したスポット６０からは、蛍光が放出されない。

そして、コントローラ８４は、励起光照射装置８１を点灯した状態で光センシング時間が１秒になるように、トップゲートドライバ７１、ボトムゲートドライバ７２及びドレインドライバ７３に制御信号を出力する。そうすると、トップゲートドライバ７１、ボトムゲートドライバ７２及びドレインドライバ７３が１秒の光センシング時間で動作し、固体撮像デバイス１０による画像入力が行われる。

トップゲートドライバ７１、ボトムゲートドライバ７２及びドレインドライバ７３による固体撮像デバイス１０の画像入力動作について図９を用いて具体的に説明する。

トップゲートドライバ７１が１行目から最終行目のトップゲートライン４４に順次リセットパルスを所定の水平走査周期で出力するとともに、ボトムゲートドライバ７２が、リセットパルスの立ち下がりのタイミングから１秒後に立ち上がるリードパルスを、１行目から最終行目のボトムゲートライン４１に順次所定の水平走査周期で出力する。その際、ドレインドライバ７３が各行でリセットパルスが出力されているリセット期間と各行でリードパルスが出力されている期間との間に、プリチャージパルスを全てのドレインライン４３，４３，…に出力する。

ｉ行目の各受光素子２０の動作について詳細に説明する。トップゲートドライバ７１がｉ行目のトップゲートライン４４にリセットパルスを出力すると、ｉ行目のトップゲートライン４４がハイレベルになる。ｉ行目のトップゲートライン４４がハイレベルになっている間（この期間をリセット期間という。）、ｉ行目の各受光素子２０では、半導体膜２３内や半導体膜２３とチャネル保護膜２４との界面近傍に蓄積されたキャリア（ここでは、正孔である。）が、トップゲート電極３１の電圧により反発して吐出される。

そして、トップゲートドライバ７１がｉ行目のトップゲートライン４４にリセットパルスを出力することを終了して、半導体膜２３に蛍光が入射することによって半導体膜２３内に生成された電子−正孔対のうちの正孔を電気的に捕捉するためのするため負電位（−２０〔Ｖ〕）をトップゲートライン４４に出力する。つまり、ｉ行目のトップゲートライン４４のリセットパルスが終了してから、ｉ行目のボトムゲートライン４１にリードパルスが出力されるまでの光センシング時間において、光量に従った量の電子−正孔対が半導体膜２３内で生成されるが、そのうちの正孔がトップゲート電極３１の電界により半導体膜２３内や半導体膜２３とチャネル保護膜２４との界面近傍に蓄積される。

光センシング時間中に、ドレインドライバ７３が全てのドレインライン４３，４３，…にプリチャージパルスを出力する。プリチャージパルスが出力されている間（プリチャージ期間という。）では、ｉ行目の各受光素子２０においては、トップゲート電極３１に印加されている電位が−２０〔Ｖ〕である。そうすると、この負電界によって半導体膜２３内や半導体膜２３とチャネル保護膜２４との界面近傍に蓄積された正孔による電界は、必然的に負電界を完全に相殺して半導体膜２３のチャネル領域にｎチャネルを形成する程度の正電界には成り得ない。そうすると、ボトムゲート電極２１に印加されている電位が±０〔Ｖ〕であるため、ドレイン電極２８とソース電極２７との間にプリチャージパルスの電位差が生じても半導体膜２３にはチャネルが形成されず、ドレイン電極２８とソース電極２７との間に電流は流れない。プリチャージ期間において、ドレイン電極２８とソース電極２７との間に電流が流れないため、ドレインライン４３，４３，…に出力されたプリチャージパルスによってｉ行目の各受光素子２０のドレイン電極２８に電荷がチャージされる。

ドレインドライバ７３がプリチャージパルスの出力を終了するとともに、ボトムゲートドライバ７２がｉ行目のボトムゲートライン４１にリードパルスを出力する。ボトムゲートドライバ７２がｉ行目のボトムゲートライン４１にリードパルスを出力している間（この期間を、リード期間という。）では、ｉ行目の各受光素子２０のボトムゲート電極２１に＋１０〔Ｖ〕の電位が印加されているため、ｉ行目の各受光素子２０がオン状態になる。

リード期間においては、光センシング時間において蓄積されたキャリアがトップゲート電極３１の負電界を緩和するように働く。そのため、入射される光量が十分であってキャリアの量が十分であれば、ボトムゲート電極２１の正電界とあわせて半導体膜２３にｎチャネルが形成されて、ドレイン電極２８からソース電極２７に電流が流れるようになり、ドレイン電極２８の電荷が減少する。従って、リード期間では、ドレインライン４３，４３，…の電圧は、ドレイン−ソース間電流によって時間の経過とともに徐々に低下する傾向を示す。

光センシング時間において半導体膜２３に入射した光量が多くなるにつれて、蓄積されるキャリアも多くなり、蓄積されるキャリアが多くなるにつれて、リード期間におけるドレイン電極２８の電荷減少レートが大きくなるとともに、リード期間においてドレイン電極２８からソース電極２７に流れる電流のレベルも大きくなる。従って、リード期間におけるドレインライン４３，４３，…の電圧の減少傾向は、光センシング時間で半導体膜２３に入射した光量に深く関連する。

そして、ｉ行目のリード期間から次の（ｉ＋１）行目のプリチャージ期間までの間に、リード期間が開始してから所定の時間経過後のドレインライン４３，４３，…の電圧（出力値）がドレインドライバ７３によって検出される。ドレインドライバ７３は、ドレインライン４３，４３，…の電圧を列順次に出力する。

そして、受光素子２０，２０，…のドレイン電極２８の電圧がドレインドライバ７３から順次出力される。その出力がＡ／Ｄ変換器８７によって量子化されて、コントローラ８４に入力される。具体的には、プリチャージパルスによって上昇したドレインライン４３の電圧値から、光の入射量に応じて低下した電圧値を差し引いた電圧（電圧低下分）を２５６階調のデジタル値の出力値とし、光の入射量が増大するにしたがって出力値の階調が高くなる。コントローラ８４は、Ａ／Ｄ変換器８７の出力値をメモリ８６に記録することによって、固体撮像デバイス１０の受光面３５に沿った出力値分布が二次元の画像データ（各画素の出力値の集合体）としてメモリ８６に記録される。

その後、コントローラ８４は、励起光照射装置８１を点灯した状態で、３秒の光センシング時間でトップゲートドライバ７１、ボトムゲートドライバ７２及びドレインドライバ７３を動作させる。

メモリ８６には、光センシング時間を１秒の画像データに加えて、光センシング時間を３秒とした画像データが記録される。

次に、コントローラ８４は、メモリ８６に記録された１回目及び２回目の画像データを読み込む。
次に、コントローラ８４は、１回目の画像データの１行・１列のアドレスの画素の出力値を３倍に演算した値と、２回目の画像データの１行・１列のアドレスの画素の出力値と、の和を４で割った加重平均を算出しメモリ８６に記憶する。同様にして、コントローラ８４は、残り全ての画素の加重平均を算出しメモリ８６に記憶する。ここで、画素は、ｎ行とｍ列の画素からなる。

次に、コントローラ８４は、記憶装置８２に記録された傾きＡ及び切片Ｂを読み込み、求めた各画素の加重平均を式（２）の出力値に代入して入射光量を得る。
次に、コントローラ８４は、求めた各画素のアドレス及び入射光量からなる画像データをメモリ８６に記録する。
次に、コントローラ８４は、求めた各画素の階調からなる画像データを出力装置８５に出力させる。これにより出力装置８５によって画像が出力される。出力装置８５によって出力された画像データ（当該入射光量値）と標準入射光量値とその標準分子量から蛍光標識ＤＮＡの分子量を算出することができる。

本実施形態によれば、固体撮像デバイス１０が図６に示すような出力特性を有することを利用したので、良好に判定できる。従って、固体撮像デバイス１０のダイナミックレンジが広くなる。

また、記憶装置８２には、データベースではなく、傾きＡ及び切片Ｂが記憶されているだけだから、記憶装置８２の記憶容量を最小限に抑えることができる。記憶装置８２の記憶容量が小さいので、生体高分子検出装置８０及び生体高分子検出チップ１の製造原価を抑えることができる。

また、入射光量と階調値との相関を一次関数的になるようにコントローラ８４が演算したので、Ａ／Ｄ変換器８７を高精度のものにしなくても済むとともに、光学系を走査する走査機構も必要としない。そのため、生体高分子検出装置８０の小型化が可能で、生体高分子検出装置８０の製造原価を抑えることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々の改良及び設計の変更をおこなっても良い。
上記実施形態では、受光素子２０，２０，…としてダブルゲートトランジスタを用いた固体撮像デバイス１０を例にして説明したが、光電変換素子としてフォトダイオードを用いた固体撮像デバイスに本発明を適用しても良い。フォトダイオードを用いた固体撮像デバイスとしては、ＣＣＤイメージセンサ、ＣＭＯＳイメージセンサがある。ＣＣＤイメージセンサにおいては、フォトダイオードが基板上にマトリクス状となって配列されており、それぞれのフォトダイオードの周囲には、フォトダイオードで光電変換された電気信号を転送するための垂直ＣＣＤ、水平ＣＣＤが形成されている。ＣＭＯＳイメージセンサにおいては、フォトダイオードが基板上にマトリクス状となって配列されており、それぞれのフォトダイオードの周囲にはフォトダイオードで光電変換された電気信号を増幅するための画素回路が設けられている。固体撮像デバイス１０がＣＣＤイメージセンサ又はＣＭＯＳイメージセンサである場合には、駆動回路７０の回路構成はＣＣＤイメージセンサ又はＣＭＯＳイメージセンサに適したものに変更するのは勿論である。ＣＣＤイメージセンサ、ＣＭＯＳイメージセンサの駆動回路は周知である。
上記実施形態では、光センシング時間を１秒に設定した状態で駆動回路７０に駆動動作を行わせることを１回行い、光センシング時間を３秒に設定した状態で駆動回路７０に駆動動作を行わせることを１回行ったが、光センシング時間を１秒に設定した状態で駆動回路に駆動動作を行わせることを３回行い、光センシング時間を３秒に設定した状態で駆動回路７０に駆動動作を行わせることを１回行い、これらの和を４で割ってもよい。
また、上記各実施形態では、光センシング時間を１秒、３秒としたが、適宜任意の異なる秒数であれば、これに限らず、また三種以上の光センシング時間によって求めてもよい。
また上記各実施形態では、各画素に異なる秒数で複数回光センシングを行ったが、例えば１つのスポット６０に対応する複数の受光素子２０のうち、特定の行（例えば奇数行）に１秒の光センシング時間で光センシングを行い、他の特定の行（例えば偶数行）に３秒の光センシング時間で光センシングを行い、１つのスポット６０の複数の画素全体の加重平均及び入射光量を求めてもよい。この場合、まず奇数行の画素のみ順次１秒の光センシング時間の駆動動作を１回行い、次いで偶数行の画素のみ順次３秒の光センシング時間の駆動動作を１回行えばよい。

本発明の実施形態における生体高分子検出装置の主要部を示した斜視図である。 生体高分子検出チップの一部を概略して示した平面図である。 固体撮像デバイスの画素を示した平面図である。 IV−IV矢視断面図である。 固体撮像デバイスの特性を示したグラフである。 固体撮像デバイスの入射光量−出力特性を示したグラフである。 固体撮像デバイスの入射光量−出力特性を示した表である。固体撮像デバイス及びその周辺回路を示した図面である。 固体撮像デバイス及びその周辺回路を示した図面である。 固体撮像デバイスの信号の推移を示したチャートである。 生体光高分子検出装置の構成を概略的に示したブロック図である。

符号の説明

１０ 固体撮像デバイス
２０ 受光素子
６０ スポット
７０ 駆動回路
８０ 生体高分子検出装置
８２ 記憶装置
８４ コントローラ

Claims (6)

1. 受光面と、前記受光面の下において配列された複数の受光素子とを有する固体撮像デバイスと、
   既知の生体高分子からなり、前記固体撮像デバイスの受光面上に点在した複数種のスポットと、
   前記固体撮像デバイスを駆動することによって、前記受光素子で光電変換が行われる光センシング時間において前記受光素子の入射光量に応じた出力値を出力するとともに、前記光センシング時間を変更可能な駆動回路と、
   前記光センシング時間を第１時間とした場合における前記受光素子の出力値及び前記光センシング時間を第２時間とした場合における前記受光素子の出力値の加重平均を求めるコントローラと、を備えることを特徴とする生体高分子検出装置。
2. 前記コントローラは、前記加重平均と前記加重平均から求められた線形近似との乖離率は、−５％〜５％とすることを特徴とする請求項１記載の生体高分子検出装置。
3. 前記コントローラは、前記加重平均から線形近似の回帰方程式を求めることを特徴とする請求項１又は２記載の生体高分子検出装置。
4. 前記コントローラは、前記加重平均から求められた線形近似の回帰方程式に基づいて前記受光素子の入射光量を求めることを特徴とする請求項３記載の生体高分子検出装置。
5. 前記加重平均から線形近似の回帰方程式の傾き及び切片を記憶した記憶装置を有することを特徴とする請求項３記載の生体高分子検出装置。
6. 前記記憶装置から傾きと切片を読み出し、計測時の前記加重平均値によって、入射光量値を求めることを特徴とする請求項５記載の生体高分子検出装置。

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