JP2010085106A - 撮像装置及び撮像装置の動作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】化学反応の時間的なずれに対応可能な生体高分子分析チップ及び生体高分子分析チップの動作方法を提供する。
【解決手段】複数の光電変換素子２０と、各光電変換素子２０の出力値が記録される一次記録部及び二次記録部８７と、光電変換素子２０を駆動して各光電変換素子２０の出力値を一次記録部８７に書き込むとともに、一次記録部８７に記録された値が二次記録部８７に記録された値よりも大きい場合に、二次記録部８７に記録された値を一次記録部８７に記録された値に書き換える制御部８６と、を備える撮像装置８０である。
【選択図】図１

Description

本発明は、生体高分子分析チップ等に用いる撮像装置及び撮像装置の動作方法に関する。

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

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

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

また、複数の撮像素子を二次元アレイ状に配列してなる固体撮像デバイスの受光面にＤＮＡや抗体等のプローブ分子をスポットした生体高分子分析チップが開発されている。このような生体高分子分析チップでは、スポットに付着した標識ＤＮＡ等の生体高分子を標識する標識物質により発生する光を各光電変換素子により計測する。固体撮像デバイスの受光面にスポットが点在しており、受光面に付着された生体高分子と光電変換素子との間の距離が近いために標識物質から発した光があまり減衰せずに固体撮像デバイスの受光面に入射するため、僅かな光量でも計測が可能であるという利点がある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−２８６６４３号公報

上記のような生体高分子分析チップにおいては、二次元アレイ状に配列した複数の撮像素子でほぼ同時に光量を測定する。しかし、標識物質に化学発光物質を基質とする酵素を用いた場合、化学反応の時間的なずれに対応するのが困難であった。

本発明は、上記の問題を解決し、化学反応の時間的なずれに対応可能な生体高分子分析チップ及び生体高分子分析チップの動作方法を提供することを目的とする。

以上の課題を解決するため、本発明の一の態様によれば、光電変換素子と、前記光電変換素子の出力値が記録される一次記録部と、前記光電変換素子の出力値が一定時間ごとに記録される二次記録部と、記録前記一次記録部に記録された値が前記二次記録部に記録された値よりも小さい場合に、前記二次記録部に記録された値を前記一次記録部に記録する制御部と、を備えることを特徴とする撮像装置が提供される。

好ましくは、前記制御部は、前記一次記録部に記録された値が前記二次記録部に記録された値よりも大きい場合に、記録動作を終了する。
好ましくは、前記光電変換素子の受光面側に設けられ、特定の生体高分子と結合するプローブを備える。
好ましくは、前記プローブが備えられた前記光電変換素子の受光面側のスポット固定層に密着して流路が設けられる。
好ましくは、前記プローブは既知の塩基配列を有する一本鎖ＤＮＡである。
あるいは、好ましくは、前記プローブは特定の抗原と結合する抗体である。

以上の課題を解決するため、本発明の二の態様によれば、光電変換素子と、前記光電変換素子の出力値が記録される一次記録部及び二次記録部と、を備えた撮像装置の動作方法において、前記光電変換素子の出力値を一定時間ごとに前記二次記録部に記録する工程と、前記一次記録部に記録した値と、前記二次記録部に記録した値とを比較する工程と、前記比較する工程の後、前記一次記録部に記録された値が前記二次記録部に記録された値よりも小さい場合に、前記二次記録部に記録された値を前記一次記録部に記録する工程と、を含むことを特徴とする撮像装置の動作方法が提供される。

好ましくは、前記比較する工程の後、前記一次記録部に記録された値が前記二次記録部に記録された値よりも大きい場合に、記録動作を終了する。
好ましくは、前記光電変換素子の受光面側に、特定の生体高分子と結合するプローブを設ける。
好ましくは、前記撮像装置は、前記光電変換素子の受光面に流路を備え、前記光電変換素子の出力値を記録する工程の前に、前記流路を通って試料溶液が供給される工程と、前記流路を通って化学発光基質含有溶液が供給される工程と、を更に備える。

本発明によれば、化学反応の時間的なずれに対応可能な生体高分子分析チップを提供することができる。

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

以下、本発明の第１の実施形態に係る分析装置について説明する。
〔１〕分析装置
図１は分析装置８０の構成を示すブロック図である。図１に示すように、分析装置８０は、生体高分子分析チップ１と、生体高分子分析チップ１に接続され、生体高分子分析チップ１を制御するコンピュータ８１と、コンピュータ８１から出力された信号により出力（表示又はプリント）を行う出力装置８２と、コンピュータ８１により制御される励起光照射装置８３と、温度調整部８４と、を備える。

コンピュータ８１は、ＣＰＵ８６、ＲＡＭ８７、温度制御回路８５、撮像素子制御回路８８等を備える。ＣＰＵ８６は、生体高分子分析チップ１のトップゲートドライバ７４、ボトムゲートドライバ７１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、トップゲートドライバ７４、ボトムゲートドライバ７１及びドレインドライバ７３に固体撮像デバイス１０の駆動動作を行わせる機能を有する。また、コンピュータ８１は入力した二次元の画像データに従った画像を出力装置８２に出力させる機能を有する。

撮像素子制御回路８８は、アダプタ８９により生体高分子分析チップ１と接続される。
温度制御回路８５はＣＰＵ８６により駆動され、温度調整部８４を制御する。

ＲＡＭ８７には、撮像素子制御回路８８から出力された信号が二次元の画像データとして記録される。
バルブ制御回路８３はＣＰＵ８６により駆動され、流量制御バルブ５４ａ，５６ａを制御する。

撮像素子制御回路８８は、生体高分子分析チップ１から入力された電気信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄコンバータを備え、固体撮像デバイス１０の受光面に沿った光強度分布を二次元の画像データとして取得する機能を有する。

出力装置８２はプロッタ、プリンタ又はディスプレイであり、ＲＡＭ８７に記録された二次元の画像データを出力する。
励起光照射装置８３は、後述する蛍光体を励起する励起光を生体高分子分析チップ１に照射する。

〔２〕生体高分子分析チップ
生体高分子分析チップ１は、ＤＮＡを検出するＤＮＡチップであり、固体撮像デバイス１０と、固体撮像デバイス１０を駆動するボトムゲートドライバ７１、ドレインドライバ７３、トップゲートドライバ７４及びＲＯＭ７５と、固体撮像デバイス１０の受光面上に点在した複数のスポット６０，６０，…と、固体撮像デバイス１０の受光面側に設けられた流路構造体５１と、を具備する。

ここで、図２、図３を用いて、流路構造体５１及びスポット６０が形成された固体撮像デバイス１０について説明する。図２は、流路構造体５１及びスポット６０が形成された固体撮像デバイス１０の受光面側を示す概略平面図であり、図３は、図２のIII−III矢視断面図である。図２、図３に示すように、固体撮像デバイス１０は、基板１７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、スポット固定層３５とを積層してなる。これらの層間に、複数のボトムゲートライン４１、ソースライン４２、ドレインライン４３、トップゲートライン４４、及び、ダブルゲートトランジスタ２０を形成するボトムゲート電極２１、半導体膜２３、チャネル保護膜２４、不純物半導体膜２５，２６、ソース電極２７、ドレイン電極２８、トップゲート電極３１が適宜設けられている。

基板１７は、絶縁性を有し、石英ガラス等といったガラス基板又はポリカーボネート、ＰＭＭＡ等といったプラスチック基板である。

この固体撮像デバイス１０においては、光電変換素子としてダブルゲート型電界効果トランジスタ（以下、ダブルゲートトランジスタという。）２０が利用され、複数のダブルゲートトランジスタ２０，２０，…が基板１７上において二次元アレイ状に特にマトリクス状に配列され、これらダブルゲートトランジスタ２０，２０，…が窒化シリコン（SiN）等の保護絶縁膜３２によってまとめて被覆されている。
なお、図１では８行×８列のマトリクス状の二次元アレイを示すが、さらに多くの行及び列を有していてもよい。

図４はダブルゲートトランジスタ２０を示す平面図であり、図５は図４のV−V矢視断面図である。図４、図５に示すように、ダブルゲートトランジスタ２０，２０，…は何れも、受光部である半導体膜２３と、半導体膜２３上に形成されたチャネル保護膜２４と、ボトムゲート絶縁膜２２を挟んで半導体膜２３の下に形成されたボトムゲート電極２１と、トップゲート絶縁膜２９を挟んで半導体膜２３の上に形成されたトップゲート電極３１と、半導体膜２３の一部に重なるよう形成された不純物半導体膜２５と、半導体膜２３の別の部分に重なるよう形成された不純物半導体膜２６と、不純物半導体膜２５に重なったソース電極２７と、不純物半導体膜２６に重なったドレイン電極２８と、を備え、半導体膜２３において受光した光量に従ったレベルの電気信号を出力するものである。

ボトムゲート電極２１は、ダブルゲートトランジスタ２０ごとに基板１７上に形成されている。また、基板１７上には横方向に延在する複数本のボトムゲートライン４１，４１，…が形成されており、横方向に配列された同一の行のダブルゲートトランジスタ２０，２０，…のそれぞれ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。

ダブルゲートトランジスタ２０，２０，…のボトムゲート電極２１及びボトムゲートライン４１，４１，…はボトムゲート絶縁膜２２によってまとめて被覆されている。すなわち、ボトムゲート絶縁膜２２は全てのダブルゲートトランジスタ２０，２０，…に共通して形成された膜である。ボトムゲート絶縁膜２２は、絶縁性及び光透過性を有し、例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）又は酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる。

ボトムゲート絶縁膜２２上には、複数の半導体膜２３がマトリクス状に配列するよう形成されている。半導体膜２３は、ダブルゲートトランジスタ２０ごとに独立して形成されており、それぞれのダブルゲートトランジスタ２０においてボトムゲート電極２１に対して対向配置され、ボトムゲート電極２１との間にボトムゲート絶縁膜２２を挟んでいる。半導体膜２３は、平面視して略矩形状を呈しており、受光した蛍光の光量に応じた量の電子−正孔対を生成するアモルファスシリコン又はポリシリコンで形成された層である。

半導体膜２３上には、チャネル保護膜２４が形成されている。チャネル保護膜２４は、ダブルゲートトランジスタ２０ごとに独立してパターニングされており、それぞれのダブルゲートトランジスタ２０において半導体膜２３の中央部上に形成されている。チャネル保護膜２４は、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の界面を保護するものである。半導体膜２３に光が入射すると、入射した光量に従った量の電子−正孔対がチャネル保護膜２４と半導体膜２３との界面付近を中心に発生するようになっている。この場合、半導体膜２３にはキャリアとして正孔及び電子が発生する。

半導体膜２３の一端部上には、不純物半導体膜２５が一部、チャネル保護膜２４に重なるようにして形成されており、半導体膜２３の他端部上には、不純物半導体膜２６が一部、チャネル保護膜２４に重なるようにして形成されている。不純物半導体膜２５，２６は、ダブルゲートトランジスタ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型の不純物イオンを含むアモルファスシリコン（ｎ⁺シリコン）からなる。

不純物半導体膜２５上には、ソース電極２７が形成され、不純物半導体膜２６上には、ドレイン電極２８が形成されている。ソース電極２７及びドレイン電極２８はダブルゲートトランジスタ２０ごとに形成されている。縦方向に延在する複数本のソースライン４２，４２，…及びドレインライン４３，４３，…がボトムゲート絶縁膜２２上に形成されている。縦方向に配列された同一の列のダブルゲートトランジスタ２０，２０，…のソース電極２７は共通のソースライン４２と一体に形成されており、縦方向に配列された同一の列のダブルゲートトランジスタ２０，２０，…のドレイン電極２８は共通のドレインライン４３と一体に形成されている。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。

ダブルゲートトランジスタ２０，２０，…のソース電極２７及びドレイン電極２８並びにソースライン４２，４２，…及びドレインライン４３，４３，…は、トップゲート絶縁膜２９によってまとめて被覆されている。トップゲート絶縁膜２９は全てのダブルゲートトランジスタ２０，２０，…に共通して形成された膜である。トップゲート絶縁膜２９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。

トップゲート絶縁膜２９上には、複数のトップゲート電極３１がダブルゲートトランジスタ２０ごとに形成されている。トップゲート電極３１は、それぞれのダブルゲートトランジスタ２０において半導体膜２３に対して対向配置され、半導体膜２３との間にトップゲート絶縁膜２９及びチャネル保護膜２４を挟んでいる。また、トップゲート絶縁膜２９上には横方向に延在する複数本のトップゲートライン４４，４４，…が形成されており、横方向に配列された同一の行のダブルゲートトランジスタ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と一体に形成されている。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。

ダブルゲートトランジスタ２０，２０，…のトップゲート電極３１及びトップゲートライン４４，４４，…は保護絶縁膜３２によってまとめて被覆され、保護絶縁膜３２は全てのダブルゲートトランジスタ２０，２０，…に共通して形成された膜である。保護絶縁膜３２は、絶縁性及び光透過性を有し、窒化シリコン又は酸化シリコンからなる。

保護絶縁膜３２の上面には、スポット固定層３５が設けられている。スポット固定層３５は、スポット６０となる後述するプローブと共有結合または静電結合することで、スポットを固定する。スポット固定層３５が設けられた側の面が、固体撮像デバイスの受光面となる。

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３５の表面を受光面としており、遮光材３７が設けられたものを除く各ダブルゲートトランジスタ２０の半導体膜２３において受光した光量を電気信号に変換するように設けられている。

トップゲートドライバ７４は、シフトレジスタである。つまり、図６に示すように、トップゲートドライバ７４はトップゲートライン４４，４４，…にリセットパルスを順次出力するようになっている。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７４は、リセットパルスを出力しない時にキャリアを蓄積するためのローレベルの−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。

ボトムゲートドライバ７１は、シフトレジスタである。つまり、図６に示すように、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ようになっている。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。

トップゲートドライバ７４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キャリア蓄積期間を経てボトムゲートドライバ７１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７４及びボトムゲートドライバ７１が出力信号をシフトする。つまり、各行では、リードパルスが出力されるタイミングは、リセットパルスが出力されるタイミングより遅れている。また、何れかの行のトップゲートライン４４へのリセットパルスの入力が開始してから、同じ行のボトムゲートライン４１へのリードパルスの入力が終了するまでの期間は、その行の選択期間である。リセットパルスのレベルは＋５〔Ｖ〕のハイレベルであり、リセットパルスが出力されていない時のレベルは−２０〔Ｖ〕のローレベルである。

図６に示すように、ドレインドライバ７３は、それぞれの行の選択期間において、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。また、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，…の電圧を増幅してコンピュータ７１のＡ／Ｄコンバータに出力するようになっている。

ＲＯＭ７５には、ピーク監視用タイマーの初期値となる値Ｔｐｍが格納されている。

〔３〕スポット
図２、図３に示すように、固体撮像デバイス１０の受光面にはスポット６０が形成されている。各スポット６０は、プローブＤＮＡ６１となる既知の塩基配列のｃＤＮＡや抗体等の溶液をスポット固定層３５上に滴下し、乾燥して形成される。以下ではプローブとして既知の塩基配列のｃＤＮＡを用いた場合について説明する。

１つのスポット６０では同じ塩基配列の一本鎖のプローブＤＮＡ６１が多数集まった群集が固体撮像デバイス１０の受光面に固定化され、スポット６０ごとにプローブＤＮＡ６１は異なる塩基配列となっている。プローブＤＮＡ６１としては、既知のｍＲＮＡの塩基配列、またはその一部と同一の、あるいは相補的な塩基配列のＤＮＡが用いられる。具体的には、例えば、後述する酵素標識ＤＮＡで用いるのと同じ細胞検体から作成したｃＤＮＡライブラリを用いることができる。

１つのスポット６０はダブルゲートトランジスタ２０上に重なるように形成されている。なお、１つのスポット６０に重なったダブルゲートトランジスタ２０の数は異なっていてもよい。また、図１では２×２個のスポット６０が形成されているが、スポット６０の数は固体撮像デバイス１０の大きさに合わせた任意の数にすることができる。

〔４〕酵素標識ＤＮＡ
上記生体高分子分析チップ１で分析する試料としては、ＤＮＡを用いることができる。試料となるＤＮＡとしては、任意の細胞検体内で発現しているｍＲＮＡを抽出し、逆転写酵素を用いて得られたｃＤＮＡを用いることができる。また、ゲノムＤＮＡや、ゲノムＤＮＡの一部を、酵素を用いて増幅したものも用いることができる。ｃＤＮＡは例えばアルカリホスファターゼやペルオキシダーゼ等、後述する化学発光基質の反応の触媒として機能する酵素で標識する。ゲノムＤＮＡは、例えばアルカリホスファターゼやペルオキシダーゼ等、後述する化学発光基質の反応の触媒として機能する酵素が標識できるプライマを用いる。

ｃＤＮＡを酵素で標識するには、例えば、酵素で標識されたオリゴｄＴプライマや、標識されたｄＮＴＰミックスを用いてＲＴ−ＰＣＲ反応を実施すればよい。ゲノムＤＮＡの一部を酵素で標識するには、例えばビオチン等が修飾されたプライマを用いてＰＣＲ反応を実施後に、アビジン等が修飾された化学発光基質の反応の触媒として機能する酵素と反応させればよい。以下では、この標識されたｃＤＮＡ、またはゲノムＤＮＡを酵素標識ＤＮＡという。

〔５〕流路構造体
流路構造体５１はスポット固定層３５上に密着され、固体撮像デバイス１０の受光面に流路５２、５３を形成する。各流路５２、５３の両端部は、それぞれ流路構造体５１に設けられた開口５２ａ，５２ｂ，５３ａ，５３ｂにより外部と通じている。
流路構造体５１は不透明であり、外部から入射された光が流路構造体５１を透過して進入することを防ぐ。

図７は流路構造体５１への配管の接続例を示す模式図である。図７において、開口５２ａが流入パイプ５４と接続されており、開口５２ｂと開口５３ａとが接続パイプ５５により接続されており、開口５３ｂが流出パイプ５６と接続されている。流入パイプ５４及び流出パイプ５６には、それぞれ流量制御バルブ５４ａ，５６ａが設けられている。

流量制御弁５４ａ，５６ａを開くと、流入パイプ５４から化学発光基質含有溶液が供給される。化学発光基質含有溶液は流入パイプ５４から流入し、流路５２、接続パイプ５５、流路５３を通過し、流出パイプ５６より排出される。

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

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

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

中間体は自然開裂し、化学式３に示すアダマンタノンと蛍光体とに分解される。この蛍光体は励起状態であり、蛍光体が基底状態に遷移するときのエネルギーが光として放出される。

〔７〕ハイブリダイゼーション
以下、酵素標識ＤＮＡをプローブＤＮＡ６１とハイブリダイゼーションさせる方法について説明する。まず、図８に示すように、作業者が、酵素６４で標識した酵素標識ＤＮＡ６２を含有した溶液（以下、酵素標識ＤＮＡ溶液という）を流路５２，５３内に注入する。なお、酵素標識ＤＮＡ溶液を流路５２，５３内のスポット６０，６０，…に順次又は同時に滴下してもよい。このとき、酵素標識ＤＮＡ６２及びプローブＤＮＡ６１が一本鎖となるように酵素標識ＤＮＡ溶液は加熱されている。

次いで、プローブＤＮＡ６１と酵素標識ＤＮＡ６２とがハイブリダイゼーションを引き起こすように、生体高分子分析チップ１の流路５２を所定の温度に冷却する。すると、図９に示すように、流路５２内に注入された酵素標識ＤＮＡ溶液内の酵素標識ＤＮＡ６２のうち、スポット６０のプローブＤＮＡ６１と相補的なものは、プローブＤＮＡ６１とハイブリダイズする。一方、プローブＤＮＡ６１と相補的ではない酵素標識ＤＮＡ６２は、そのスポット６０には結合しない。
その後、流路５２、５３内の酵素標識ＤＮＡ溶液を洗浄用バッファー溶液で洗い流し、酵素標識ＤＮＡ６２のうちプローブＤＮＡ６１とハイブリダイズしなかったものを流路５２内から除去する。

〔８〕サンプルの検出
次に、酵素標識ＤＮＡ６２の検出方法について説明する。
上記処理を行った生体高分子分析チップ１を分析装置８０にセッティングし、トップゲートドライバ７４、ボトムゲートドライバ７５及びドレインドライバ７６をＣＰＵ７１に接続し、ＣＰＵ７１を起動する。

次に、図７の流量制御弁５４ａ，５６ａを開き、各ウェル４０に化学発光基質９１を含む溶液を注入する。化学発光基質９１を含む溶液を注入する前に各ウェル４０内に化学発光基質９１が泳動するためのバッファー溶液が入れられていてもよく、化学発光基質９１を含む溶液自体が泳動用のバッファー溶液を兼ねていてもよい。

スポット６０のプローブＤＮＡ６１に酵素標識ＤＮＡ６２がハイブリダイズしたウェル４０では、酵素標識ＤＮＡ６２を標識する酵素６３により化学発光基質９１が加水分解され、不安定な中間体を経て励起状態の蛍光体９２が生成される。励起状態の蛍光体９２が基底状態に遷移するときに蛍光（主に可視光波長域）が放出され、蛍光を発するスポット６０に対応するフォトセンサ２０に蛍光が入射して電子−正孔対が発生する。
この間、ＣＰＵ８６による撮像動作が行われる。

〔９〕撮像動作
ここで、トップゲートドライバ７４、ボトムゲートドライバ７１及びドレインドライバ７３による固体撮像デバイス１０の通常の撮像動作について説明する。
トップゲートドライバ７４が１行目のトップゲートライン４４から最終行目（図２の場合は８行目）のトップゲートライン４４へと順次リセットパルスを出力し、ボトムゲートドライバ７１がボトムゲートライン４１，４１，４１，…に順次リードパルスを出力する。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行目の各ダブルゲートトランジスタ２０の動作について詳細に説明する。図６に示すように、トップゲートドライバ７４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行目の各ダブルゲートトランジスタ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３０の電圧により反発して吐出される。

次に、トップゲートドライバ７４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間（この期間をキャリア蓄積期間という。）、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３０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。

次に、キャリア蓄積期間中に、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行目の各ダブルゲートトランジスタ２０においては、トップゲート電極３０に印加されている電位が−２０〔Ｖ〕であり、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ず、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行目の各ダブルゲートトランジスタ２０のドレイン電極２８に電荷がチャージされる。

次に、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７１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７１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行目の各ダブルゲートトランジスタ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行目の各ダブルゲートトランジスタ２０がオン状態になる。

リード期間においては、キャリア蓄積期間において蓄積されたキャリアがトップゲート電極３０の負電界を緩和するように働くため、入射される光量が十分あってキャリアの量が十分あれば、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。

ここで、キャリア蓄積期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、キャリア蓄積期間で半導体膜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、ドレインドライバ７３を介して、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，…の電圧を検出し、Ａ／Ｄコンバータが蛍光の輝度階調０〜２５５の値にＡ／Ｄ変換する。なお、ドレインライン４３の電圧がプリチャージパルスと同じ＋５〔Ｖ〕であればＡ／Ｄコンバータの出力は階調０であり、０〔Ｖ〕であれば階調２５５である。これにより、光の強度が０〜２５５の値に換算される。

なお、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、ドレインドライバ７３を介して、所定の閾値電圧に至るまでの時間を検出しても良い。この場合でも、光の強度に換算される。また、図５では、トップゲートドライバ７４の（ｉ＋１）行目のリセットパルスの立ち上がり時期は、ボトムゲートドライバ７１のｉ行目のリードパルスが立ち下がってからであるが、これに限らず、トップゲートドライバ７４の（ｉ＋１）行目のリセットパルスの立ち上がり時期は、トップゲートドライバ７４のｉ行目のリセットパルスの立ち下がり直後からボトムゲートドライバ７１のｉ行目のリードパルスの立ち下がりまでの間であってもよい。ただし、（ｉ＋１）行目のダブルゲートトランジスタ２０のためにドレインライン４３，４３，…に出力されたプリチャージパルスの出力は、ボトムゲートドライバ７１のｉ行目のリードパルスの立ち下がり以降になるように設定されている。

上述した一連の画像読み取り動作を１サイクルとして、全ての行の各ダブルゲートトランジスタ２０にも同等の処理手順を繰り返されることにより、生体高分子分析チップ１上の光の強度分布がＲＡＭ８７のメモリーセルに記録される。

ところで、化学発光は酵素による化学発光基質の分解により行われる。このため、図１０に示すように、発光量がピークとなる反応時間は化学発光基質の濃度によって異なる。このとき、反応時間とは、化学発光基質９１を含む溶液を各ウェル４０内に注入してからの時間である。
また、図１１に示すように、実際に計測される発光強度には揺らぎがあるため、発光量がピークとなる反応時間を正確に捉えることが困難である。
そこで、本実施形態においては、以下に示す方法により、発光量のピークとなる値を保存する。

ＲＡＭ８７のメモリーセルには、図１２（ａ）に示すように、Ａ１〜Ｈ８までのダブルゲートトランジスタ２０，２０，…のそれぞれに１対１で対応するリード用メモリーセル（二次記録部）と、図１２（ｂ）に示すピーク保存用メモリーセル（一次記録部）とが設けられる。撮像動作では、Ａ１〜Ｈ８までのダブルゲートトランジスタ２０，２０，…の出力値は、対応する各リード用メモリーセルＡ１〜Ｈ８に保存される。また、ＲＡＭ８７には、図１２（ｃ）に示すように、ピーク監視用タイマー用のメモリーセルＴが設けられる。

本実施形態においては、上記の撮像動作を一定時間ごとに行い、Ａ１〜Ｈ８までのダブルゲートトランジスタ２０，２０，…の出力値のピークを記録する。以下、Ａ１〜Ｈ８までのダブルゲートトランジスタ２０，２０，…の出力値のピークを記録するＣＰＵ８６の動作について、図１３のフローチャートを用いて説明する。

まず、ＣＰＵ８６は、ピーク保存用メモリーセルの初期化（全てを０にする）を行う（ステップＳ１）。次に、ＣＰＵ８６は、ピーク監視用タイマーの初期値となる値ＴｐｍをＲＯＭ７５から読み出し、ピーク監視用タイマー用のメモリーセルＴに書き込む（ステップＳ２）。

次に、ＣＰＵ８６は、一定時間ごとに撮像動作を行い、Ａ１〜Ｈ８までのダブルゲートトランジスタ２０，２０，…の出力値を対応する各リード用メモリーセルに保存する（ステップＳ３）。
次に、ＣＰＵ８６は、各リード用メモリーセルの値と、対応するピーク保存用メモリーセルの値とを比較する。ピーク保存用メモリーセルの値よりもリード用メモリーセルの値が大きいときは、ピーク保存用メモリーセルの値をリード用メモリーセルの値に置き換える(ステップＳ４）。

次に、ＣＰＵ８６は、ピーク保存メモリーセルの書き換えがあったか否かを判断する(ステップＳ５）。ピーク保存用メモリーセルの書き換えがあった場合（ステップＳ５→Ｙｅｓ）には、ステップＳ２に戻る。ピーク保存用メモリーセルの書き換えがなかった場合（ステップＳ５→Ｎｏ）には、ＣＰＵ８６は、ピーク監視用タイマー用のメモリーセルＴの値を１減らした値に書き換える（ステップＳ６）。

次に、ＣＰＵ８６は、Ｔの値が０以下となったか否かを判断し（ステップＳ７）、Ｔが０よりも大きければ（ステップＳ７→Ｎｏ）ステップＳ３〜Ｓ７の動作を繰り返す。Ｔが０以下であれば（ステップＳ７→Ｙｅｓ）ピーク値の記録動作を終了する。
すなわち、最後にピーク値を記録した後、ステップＳ３〜Ｓ７にかかる時間にＴｐｍを乗じた時間を経過したときに、記録動作を終了する。
その後、ＣＰＵ８６は、ピーク保存用メモリーセルに記録された値を光強度分布とする画像を出力装置８２に出力する。得られる画像には、Ａ１〜Ｈ８までの各ダブルゲートトランジスタ２０，２０，…の最大出力値が反映される。

作業者は、出力装置８２に出力された画像により、各スポット６０，６０，…におけるハイブリダイゼーションの有無を確認することができる。ハイブリダイゼーションが起きていれば、そのスポット６０のプローブＤＮＡ６１と相補的な塩基配列のｍＲＮＡが細胞検体内で生成されていることがわかる。このため、化学発光が検出されたスポット６０のプローブＤＮＡ６１の種類により、検体内でどのような遺伝子が発現しているかを直接確認することができる。

＜変形例＞
次に、本実施の形態の変形例に係る生体高分子分析チップ１０１について説明する。この生体高分子分析チップ１０１は、抗原タンパクを検出する抗体チップである。
本実施の形態に係る生体高分子チップ１０１には、スポット１６０にプローブ抗体１６１が用いられている点を除き、固体撮像デバイス１１０、分析装置１８０等の構成については生体高分子分析チップ１と同様であり、同様の構成については下２桁に同符号を付して説明を割愛する。

抗体チップでは、プローブとして、検出する既知のタンパク質や糖鎖等の抗原と結合する抗体（以下、プローブ抗体という）を用いる。
具体的には、図１４に示すように、固体撮像デバイス１１０の流路１５２，１５３にプローブ抗体１６１を含む溶液を滴下し、乾燥してスポット１６０を形成する。なお、流路５２，５３に滴下されるプローブ抗体１６１はそれぞれ異なるタンパク質を抗原とし、同じスポット１６０を形成するプローブ抗体１６１は同一の抗原決定基を認識する。プローブ抗体１６１となる抗体としては、モノクローナル抗体を用いることができる。

次に、サンプルとなる抗原１６２を含む溶液（以下、サンプル溶液という）を流路５２，５３内に注入する。
プローブ抗体１６１にサンプル溶液中の抗原１６２が結合するのに充分な時間が経過した後、流路１５２，１５３内のサンプル溶液をバッファー溶液で洗い流し、サンプル溶液とともに抗原１６２のうちプローブ抗体１６１と結合しなかったものを流路１５２，１５３内から除去する。

次に、流路１５２，１５３内に、プローブ抗体１６１が認識するのと同じ抗原１６２の異なる抗原決定基を認識する抗体を酵素１６４で標識したもの（以下、酵素標識抗体１６３という）の溶液（以下、蛍光標識抗体溶液という）を注入する。
プローブ抗体１６１に結合した抗原１６２と酵素標識抗体１６３とが結合するのに充分な時間が経過した後、流路５２内の蛍光標識抗体溶液をバッファー溶液で洗い流し、蛍光標識抗体溶液中の酵素標識抗体１６３のうち抗原１６２と結合しなかったものを流路１５２，１５３内から除去する。
以後、第１実施形態の〔８〕サンプルの検出、〔９〕撮像動作 と同様にして、分析装置１８０による固体撮像デバイス１１０の冷却及び光量データの計測動作を行う。

作業者は、出力装置１８２に出力された画像により、各スポット１６０，１６０，…における抗原１６２の有無を確認することができる。このため、化学発光が検出されたスポット１６０のプローブ抗体１６１の種類により、検体内でどのようなタンパク質（抗原１６２）が生成されているかを直接確認することができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の改良並びに設計の変更を行ってもよい。

例えば、上記実施形態では、プローブとして既知の塩基配列の一本鎖ＤＮＡや抗体を用いたが、その他の既知の生体高分子や低分子等を用いてもよい。例えば、抗原となるペプチドやタンパク、糖鎖、低分子リガンド、既知の細胞等を用いてもよい。

本発明の実施形態に係る分析装置８０の構成を示すブロック図である。 流路構造体５１及びスポット６０が形成された固体撮像デバイス１０の受光面側を示す概略平面図である。 図２のIII−III矢視断面図である。 ダブルゲートトランジスタ２０を示す平面図である。 図４のV−V矢視断面図である。 固体撮像デバイス１０に出力される電気信号のレベルの推移を示したタイミングチャートである。 流路構造体５１への配管の接続例を示す模式図である。 酵素標識ＤＮＡ６２をプローブＤＮＡ６１とハイブリダイゼーションさせる方法についての説明図である。 酵素標識ＤＮＡ６２をプローブＤＮＡ６１とハイブリダイゼーションさせる方法についての説明図である。 化学発光基質の濃度を変えたときの発光量と反応時間との関係を示すグラフである。 図１０の低濃度におけるピーク部分の拡大図である。 （ａ）はリード用メモリーセル、（ｂ）はピーク保存用メモリーセル、（ｃ）はピーク監視用タイマー用のメモリーセルＴを示す模式図である。 ダブルゲートトランジスタ２０，２０，…の出力値のピークを記録するＣＰＵ８６の動作を示すフローチャートである。 流路構造体１５１及びスポット１６０が形成された固体撮像デバイス１１０を示す断面図である。

符号の説明

１，１０１ 生体高分子分析チップ
１０，１１０ 固体撮像デバイス（撮像装置）
２０，１２０ ダブルゲートトランジスタ
６０，１６０ スポット
６１ プローブＤＮＡ
６２ 酵素標識ＤＮＡ
６４，１６４ 酵素
１６５ 抗原

Claims (10)

1. 光電変換素子と、
   前記光電変換素子の出力値が記録される一次記録部と、
   前記光電変換素子の出力値が一定時間ごとに記録される二次記録部と、
   記録前記一次記録部に記録された値が前記二次記録部に記録された値よりも小さい場合に、前記二次記録部に記録された値を前記一次記録部に記録する制御部と、
   を備えることを特徴とする撮像装置。
2. 前記制御部は、前記一次記録部に記録された値が前記二次記録部に記録された値よりも大きい場合に、記録動作を終了することを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。
3. 前記光電変換素子の受光面側に設けられ、特定の生体高分子と結合するプローブを備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像装置。
4. 前記プローブが備えられた前記光電変換素子の受光面側のスポット固定層に密着して流路が設けられることを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
5. 前記プローブは既知の塩基配列を有する一本鎖ＤＮＡであることを特徴とする請求項３又は４に記載の撮像装置。
6. 前記プローブは特定の抗原と結合する抗体であることを特徴とする請求項３又は４に記載の撮像装置。
7. 光電変換素子と、前記光電変換素子の出力値が記録される一次記録部及び二次記録部と、を備えた撮像装置の動作方法において、
   前記光電変換素子の出力値を一定時間ごとに前記二次記録部に記録する工程と、
   前記一次記録部に記録した値と、前記二次記録部に記録した値とを比較する工程と、
   前記比較する工程の後、前記一次記録部に記録された値が前記二次記録部に記録された値よりも小さい場合に、前記二次記録部に記録された値を前記一次記録部に記録する工程と、
   を含むことを特徴とする撮像装置の動作方法。
8. 前記比較する工程の後、前記一次記録部に記録された値が前記二次記録部に記録された値よりも大きい場合に、記録動作を終了することを特徴とする請求項７に記載の撮像装置の動作方法。
9. 前記光電変換素子の受光面側に、特定の生体高分子と結合するプローブを設けることを特徴とする請求項７又は８に記載の撮像装置の動作方法。
10. 前記撮像装置は、前記光電変換素子の受光面に流路を備え、
    前記光電変換素子の出力値を記録する工程の前に、前記流路を通って試料溶液が供給される工程と、
    前記流路を通って化学発光基質含有溶液が供給される工程と、
    を更に備えることを特徴とする請求項９に記載の撮像装置の動作方法。

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