JP2010169517A - 核酸分析装置、及び核酸分析方法 - Google Patents

Abstract

【課題】測定待ち時間のような非測定時において、励起光が試料に照射されることによって試料の蛍光色素の劣化を防止する。
【解決手段】本発明の核酸分析装置は、ディスク状のカローセルと、カローセルを回転させるための回転機構と、カローセルの円周に沿って配置された少なくとも１つの検出ユニットと、カローセルの回転位置を検出するための回転位置検出機構と、を有する。カローセルは、円周方向に沿って等間隔にて試料を収納したｎ個（ｎは２以上の整数）の試料容器を支持するように構成されている。検出ユニットは、試料容器に照射する励起光を発生する光源と、試料容器に収納された試料からの蛍光を検出する蛍光検出素子と、を有する。カローセルが停止しているとき、光源からの励起光が、試料容器の間を照射するように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、試料からの蛍光を検出する核酸分析に関し、例えば、複数の試料容器を保持するカローセルを備えた核酸分析装置に関する。

一般に核酸増幅法では、核酸標識に蛍光色素を使用し、蛍光強度変化を経時的に追跡することで核酸を含む試料の解析を行なう。このような、蛍光強度変化を経時的に測定するための核酸分析装置が開発されている。

核酸分析装置では、光源の点灯直後では励起光の光量が不安定であり、正確な測定を行なうことはできない。そこで、励起光の光量が安定化するまで待ってから測定を行なう。そのため、測定サイクルの測定待ち時間毎に光源を消灯すると、測定効率が低下する。従って、測定待ち時間でも、励起光の光源は消灯しないことが望ましい。

しかしながら、光源を消灯しないと、励起光が試料に照射され、試料の蛍光色素が劣化する。

本発明の目的は、測定待ち時間のような非測定時において、励起光が試料に照射されることによって試料の蛍光色素の劣化を防止することにある。

本発明の核酸分析装置は、ディスク状のカローセルと、カローセルを回転させるための回転機構と、カローセルの円周に沿って配置された少なくとも１つの検出ユニットと、カローセルの回転位置を検出するための回転位置検出機構と、を有する。

好ましくは、カローセルは、円周方向に沿って試料を収納したｎ個（ｎは２以上の整数）の試料容器を支持するように構成されている。

また、好ましくは、回転位置検出機構は、カローセル上に円周方向に沿って装着されたｎ個の遮蔽板と、遮蔽板が通過することを検出するフォトインタラプタと、を有する。

また、好ましくは、検出ユニットは、試料容器に照射する励起光を発生する光源と、試料容器に収納された試料からの蛍光を検出する蛍光検出素子と、を有する。

また、好ましくは、カローセルが停止しているとき、光源からの励起光が、試料容器の間を照射するように構成されている。

本発明によると、非測定時において、励起光が試料に照射されることによって試料の蛍光色素の劣化を防止することができる。

本発明による分析装置の主要部であるリーディングユニットの例の構成を示す図である。 本発明による分析装置の検出ユニットの第１の例を示す図である。 本発明による分析装置の検出ユニットの第２の例を示す図である。 本発明による分析装置の回転位置検出機構の例を示す図である。

図１を参照して本発明による核酸分析装置の主要部であるリーディングユニットの例を説明する。本例のリーディングユニット１は、ディスク状のカローセル３と、カローセルを回転させるための回転機構２と、カローセル３の円周に沿って配置された少なくとも１つの検出ユニット５と、カローセル３の回転位置を検出するためのフォトインタラプタ７と、試料容器を搬送するグリッパ８と、を有する。

カローセル３は、円板状のアルミ合金製のディスクによって構成され、中心軸線回りに回転可能である。カローセル３上には、周状の縁に沿って、多数の試料ホルダ４と遮光板６が設けられている。試料ホルダ４には、分析対象である試料溶液が収納された試料容器が保持される。試料ホルダと同数の遮光板が設けられている。試料ホルダ４と遮光板６は、カローセル３の縁に沿って、等間隔にて、即ち、等角度間隔にて、配置されている。本発明によると、図示のように、遮光板６は、試料ホルダ４に対向するように、且つ、試料ホルダ４の間に配置されている。

遮光板６とフォトインタラプタ７によって、カローセル３の回転速度及び回転角度を検出するための回転位置検出機構が構成される。この回転位置検出機構の構成は後に、図４を参照して説明する。

検出ユニット５は、カローセル３の円周に沿って等間隔に配置されている。図１の例では、５個の検出ユニット５が設けられているが、５個以外の数の検出ユニット５を設けてよい。検出ユニット５は、交換可能であり、着脱が自由である。本例では、検出ユニット５は、カローセル３の下側に配置されているが、カローセル３の円周に沿ってどのような位置に配置されてもよい。検出ユニット５は、基本的には、励起光を発生する光源と、試料からの蛍光を検出する検出素子とを有するが、詳細な構造は、後に説明する。

回転機構２は、ステッピングモータを有し、ステッピングモータの回転をベルトにてカローセル３に伝え、カローセル３を回転させる。ステッピングモータを用いることにより、カローセル３を一定の速度にて回転させることができる。また、ステッピングモータを用いることにより、カローセル３を所望の回転角度だけ回転させることができる。試料ホルダ４に保持された試料容器の数をｎとするとき、カローセル３を１／ｎ回転ずつ、即ち、３６０／ｎ度毎、回転させることができる。

グリッパ８は、分析対象である試料溶液が収納された試料容器を試料ホルダ４へ搬送し、分析が完了した試料溶液が収納された試料容器を廃棄穴９まで搬送する。

本発明によるリーディングユニットを用いて、試料の光学的特性を測定する方法を説明する。分析対象である試料溶液が収納された試料容器を試料ホルダ４に装着したら、カローセル３を一定の速度で回転させる。カローセル３の周囲には、５個の検出ユニット５が配置されている。検出ユニット５の各々は、頭上を通過する試料容器からの蛍光を測定する。

カローセルの動作サイクルは、容器設定期間と蛍光測定期間とからなる。容器設定期間では、カローセルは停止させて、試料容器を設置し、または取り出す。蛍光測定期間では、カローセルを一定速度にて回転させながら、蛍光測定を行なう。蛍光測定期間では、試料容器が、検出ユニット上の検出位置を通過する間に、蛍光強度を測定する。容器設定期間と蛍光測定期間の長さは一定であり、所定の周期にて繰り返す。

カローセルが１回転する毎に、試料容器は、円周状に配置された全ての検出ユニットを通過する。各検出ユニットには、測定すべき波長の蛍光が割り当てられている。各検出ユニットは、自身に割り当てられた波長の蛍光を独立的に検出する。そのため、カローセル３が１回転すると、各試料に含まれる５つの成分を分析することができる。各試料容器には、同一の検体が採取されているものとする。各検出ユニットによって測定されたデータは、反応液の経時変化として外部コンピュータに蓄積され、更に、定量分析結果として外部出力される。

以下に、本例によるリーディングユニットの特徴を説明する。
（１）先ず第１に、本例のリーディングユニットでは、蛍光色素の劣化を回避するように構成されている。例えば、容器設定期間では、カローセル３を停止させる。カローセル３を停止させても、検出ユニットの光源への電源はオンのままであり、オフにしない。本例では、カローセル３を停止させる場合、検出ユニットの光軸が、試料ホルダ４の間に配置されるように、カローセル３の位置を設定する。即ち、カローセル２の回転を停止させるとき、光源からの励起光は試料容器の間を照射し、試料を照射しない。そのため、試料の蛍光色素の劣化を防止することができる。

（２）次に、本例のリーディングユニットでは、カローセル３の回転開始の直後では、検出ユニットから測定データを出力しない。この理由を説明する。２つの理由がある。最初の理由を説明する。装置の小型化を図るには、カローセル３のサイズを小さくする必要がある。また、高スループット化を図るためには、カローセル３に多数の試料ホルダ４を配置する必要がある。そのため、隣接する試料ホルダ４間の間隔は小さい。一方、本発明では、遮光板６とフォトインタラプタ７を用いて、カローセル３の回転位置を検出する。そのため、カローセル３の回転開始の直後に、検出ユニットの頭上に、最初に到達した試料容器を正確に検出すること困難であり、誤差が発生する可能性がある。

２番目の理由を説明する。カローセル３はステッピングモータによって一定の速度で回転する。しかしながら、厳密には、回転の開始直後では、回転速度は一定ではない。従って、カローセル３の回転開始の直後に、検出ユニットの頭上に、最初に到達した試料容器から蛍光測定を行なうとすると、カローセル３の回転速度が安定していない状態で、蛍光を測定することとなる。これは、蛍光測定のバラツキの原因となる。

そこで、カローセル３の回転開始直後に、検出ユニットの頭上に、最初に到達した試料容器について蛍光測定を行なわない。即ち、カローセル３の回転開始後に、検出ユニットの頭上に、２番目に到達した試料容器から蛍光測定を開始する。例えば、カローセル３の試料ホルダ４の数をｎ個とし、全ての試料ホルダ４に試料容器が装着されているものとする。カローセル３を１回転させることによって、全ての試料の蛍光測定を行なうものとする。カローセル３の回転開始後の最初の試料については、蛍光測定を行なわないとすると、全ての試料の蛍光測定を行なうには、カローセル３を（１＋１／ｎ）回転させる必要がある。

図２を参照して、本発明による検出ユニットの第１の例の構成を説明する。本例の検出ユニットは、光源１０、励起光フィルタ１１、ハーフミラー１２、モニタ検知器１４、蛍光フィルタ１５、及び、蛍光検知器１６を有する。本例の検出ユニットの上には、透明な試料容器２２に収納された試料２１が配置されている。試料容器２２は、図１に示したように、カローセル３の試料ホルダ４に支持されている。図２ではカローセル３の試料ホルダ４の図示は省略されている。光源１０より照射された励起光１７は、励起光フィルタ１１を通過し、そこで余分な波長域がカットされる。励起光１７は、励起光フィルタ１１を通過した後、ハーフミラー１２に到達する。励起光１７の一部は、ハーフミラー１２を反射し、モニタ光１８として、モニタ検知器１４によって検知される。モニタ検知器１４は、モニタ光１８の監視を行う。励起光１７の一部は、ハーフミラー１２を透過し、試料容器に収納された試料２１を照射する。励起光１７が試料２１を照射すると、試料２１は蛍光１９を発する。

試料２１からの蛍光１９は、蛍光フィルタ１５を通過し、そこで余分な波長域がカットされる。蛍光１９は、蛍光フィルタ１５を通過した後、蛍光検知器１６に到達する。蛍光１９を蛍光検知器１６によって検知することにより、試料２１の光学的特性を測定する。

図３を参照して、本発明による検出ユニットの第２の例の構成を説明する。本例の検出ユニットを、図２の第１の例と比較すると、本例の検出ユニットでは、シャッタ２０が設けられている点が異なる。ここでは、シャッタ２０の機能を説明する。シャッタ２０は、光源１０と試料２１の間の光路上に配置される。本例では、シャッタ２０は、ハーフミラー１２と試料２１の間の光路上に配置される。

試料２１からの蛍光を測定しないときには、シャッタ２０を閉じ、試料２１からの蛍光を測定するときのみに、シャッタ２０を開く。従って、試料２１の分析を行なわないときに、光源１０から励起光１７が試料２１を照射することを回避することができる。そのため、試料２１の蛍光色素の劣化を防止することができる。本例では、シャッタ２０を用いるため、カローセル３を停止させる場合、カローセル３の位置が何処にあってもよい。即ち、検出ユニットの光軸が、試料２１を通るように、カローセル３を停止させてもよい。

試料容器を交換するとき、または、試料容器を設置するときは、カローセルを回転させる。この場合、図２の第１の例の場合では、カローセルを回転中では、試料２１の分析を行なわないときであっても、励起光が試料容器に照射される。しかしながら、本例では、このような場合でも、励起光が試料に照射されない。尚、図２の第１の例において、本例と同様なシャッタを設けてもよい。

図４を参照して、カローセル３の回転位置を検出する方法を説明する。フォトインタラプタ７は、光源７Ａと光検出素子７Ｂを有する。光源７Ａは、発光ダイオード（ＬＥＤ）によって構成してよい。光検出素子７Ｂは、光電変換素子によって構成してよい。光源７Ａと光検出素子７Ｂは互いに対向するように設けられる。即ち、光源７Ａからの光は光検出素子７Ｂによって検出されるように構成されている。カローセル３の縁には、遮光板６が設けられている。カローセル３が回転すると、遮光板６は円周に沿って移動する。遮光板６は、光源７Ａと光検出素子７Ｂの間を通過するように構成されている。遮光板６が、光源７Ａと光検出素子７Ｂの間に存在しないとき、光検出素子７Ｂは、光源７Ａからの光を検出し、比較的高い値を出力する。しかしながら、遮光板６が、光源７Ａと光検出素子７Ｂの間を通過するとき、光源７Ａからの光は、遮光板６によって遮られる。従って、光検出素子７Ｂは、比較的低い値を出力する。

遮光板６は、カローセル３の縁に、試料ホルダの間に設けられている。従って、光検出素子７Ｂからの出力を検出することによって、カローセル３の回転位置と回転速度を知ることができる。また、光検出素子７Ｂからの出力に基づいて、検出ユニット５は、蛍光１９のサンプリング開始のタイミングを計る。

以上本発明の例を説明したが、本発明は上述の例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変更が可能であることは当業者により容易に理解されよう。

１…リーディングユニット、２…回転機構、３…カローセル、４…試料ホルダ、５…検出ユニット、６…遮光板、７…フォトインタラプタ、８…グリッパ、９…廃棄穴、１０…光源、１１…励起光フィルタ、１２…ハーフミラー、１４…モニタ検知器、１５…蛍光フィルタ、１６…蛍光検知器、１７…励起光、１８…モニタ光、１９…蛍光、２０…シャッタ、２１…試料、２２…試料容器

Claims (11)

1. ディスク状のカローセルと、該カローセルを回転させるための回転機構と、前記カローセルの円周に沿って配置された少なくとも１つの検出ユニットと、前記カローセルの回転位置を検出するための回転位置検出機構と、を有し、蛍光色素を有する核酸を含む試料を分析するための核酸分析装置において、
   前記カローセルは、円周方向に沿って試料を収納したｎ個（ｎは２以上の整数）の試料容器を支持するように構成され、
   前記回転位置検出機構は、前記カローセル上に円周方向に沿って装着されたｎ個の遮蔽板と、前記遮蔽板が通過することを検出するフォトインタラプタと、を有し、
   前記検出ユニットは、前記試料容器に照射する励起光を発生する光源と、前記試料容器に収納された試料からの蛍光を検出する蛍光検出素子と、を有し、
   前記カローセルが停止しているとき、上記光源からの励起光が、前記試料容器の間を照射するように構成されていることを特徴とする核酸分析装置。
2. 請求項１記載の核酸分析装置において、
   前記遮蔽板は、前記試料容器を支持する試料容器ホルダと対向するように、且つ、前記試料ホルダの間に配置されていることを特徴とする核酸分析装置。
3. 請求項１記載の核酸分析装置において、
   前記ｎ個の試料容器に収納された試料を分析するとき、前記検出ユニットの各々は、前記カローセルを回転させたとき、自己の前を最初に通過した試料からの蛍光は測定しないで、２番目に通過した試料から、蛍光の測定を開始するように構成されていることを特徴とする核酸分析装置。
4. 請求項３記載の核酸分析装置において、前記カローセルを（１+１/ｎ）回転させることによって、前記ｎ個の試料の蛍光を分析するように構成されていることを特徴とする核酸分析装置。
5. ディスク状のカローセルと、該カローセルを回転させるための回転機構と、前記カローセルの円周に沿って配置された少なくとも１つの検出ユニットと、前記カローセルの回転位置を検出するための回転位置検出機構と、を有し、蛍光色素を有する核酸を含む試料を分析するための核酸分析装置において、
   前記カローセルは、円周方向に沿って試料を収納したｎ個（ｎは２以上の整数）の試料容器を支持するように構成され、
   前記回転位置検出機構は、前記カローセル上に円周方向に沿って装着されたｎ個の遮蔽板と、前記遮蔽板が通過することを検出するフォトインタラプタと、を有し、
   前記検出ユニットは、前記試料容器に照射する励起光を発生する光源と、前記試料容器に収納された試料からの蛍光を検出する蛍光検出素子と、を有し、
   前記検出ユニットは、前記試料からの蛍光を検出しないとき、前記光源からの励起光が前記試料容器に到達することを阻止するためのシャッタを有することを特徴とする核酸分析装置。
6. 中心軸線まわりに回転可能なディスク状のカローセルの円周方向に沿って試料を収納したｎ個（ｎは２以上の整数）の試料容器を装着することと、
   前記カローセルの回転中に、前記カローセルの周囲に配置された少なくとも１つの検出ユニットによって前記試料容器に収納された試料からの蛍光を検出することと、
   前記カローセルが停止しているとき、前記検出ユニットからの励起光が前記試料容器を照射しないように、前記カローセルの停止位置を設定することと、
   を含む核酸分析方法。
7. 請求項６記載の核酸分析方法において、
   前記ｎ個の試料容器に収納された試料を分析するとき、前記検出ユニットの各々は、前記カローセルを回転させたとき、自己の前を最初に通過した試料からの蛍光は測定しないで、２番目に通過した試料から、蛍光の測定を開始するように構成されていることを特徴とする核酸分析方法。
8. 請求項７記載の核酸分析方法において、前記カローセルを（１+１/ｎ）回転させることによって、前記ｎ個の試料の蛍光を分析するように構成されていることを特徴とする核酸分析方法。
9. 中心軸線まわりに回転可能なディスク状のカローセルの円周方向に沿って試料を収納したｎ個（ｎは２以上の整数）の試料容器を装着することと、
   前記カローセルが回転中に、前記カローセルの周囲に配置された少なくとも１つの検出ユニットによって前記試料容器に収納された試料からの蛍光を検出することと、
   前記試料容器に収納された試料からの蛍光を検出しないとき、前記検出ユニットからの励起光が前記試料容器を照射しないように、シャッタを閉じることと、
   を含む核酸分析方法。
10. ディスク状のカローセルと、該カローセルを回転させるための回転機構と、前記カローセルの円周に沿って配置された少なくとも１つの検出ユニットと、前記カローセルの回転位置を検出するための回転位置検出機構と、を有し、蛍光色素を有する核酸を含む試料を分析するための核酸分析装置において、
    前記カローセルは、円周方向に沿って試料を収納したｎ個（ｎは２以上の整数）の試料容器を支持するように構成され、
    前記カローセルが停止しているとき、上記検出ユニットからの励起光が、前記試料容器の間を照射するように構成されていることを特徴とする核酸分析装置。
11. ディスク状のカローセルと、該カローセルを回転させるための回転機構と、前記カローセルの円周に沿って配置された少なくとも１つの検出ユニットと、前記カローセルの回転位置を検出するための回転位置検出機構と、を有し、蛍光色素を有する核酸を含む試料を分析するための核酸分析装置において、
    前記カローセルは、円周方向に沿って試料を収納したｎ個（ｎは２以上の整数）の試料容器を支持するように構成され、
    前記検出ユニットは、前記試料からの蛍光を検出しないとき、励起光が前記試料容器に到達することを阻止するためのシャッタを有することを特徴とする核酸分析装置。

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