JP2010284101A - Reactor vessel, parallel processing apparatus and sequencer - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sequencer that has a more improved throughput. <P>SOLUTION: A power density of 10 times or more of fluorescence excitation intensity is achieved by using an inexpensive high-intensity LED light source. Consequently, the excitation light irradiation time in detection is made 1/10 or less to shorten the time required for detection. Consequently the throughput is improved by treating a plurality of three or more reaction substrates in parallel within a reaction time of a minimum unit which has been conventionally rate-controlling. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は蛍光検出用反応制御装置に関わる。より具体的には、DNAあるいはRNAなどの核酸の塩基配列を解読するための方法および核酸配列解析装置に関わる。   The present invention relates to a fluorescence detection reaction control apparatus. More specifically, the present invention relates to a method and a nucleic acid sequence analyzer for decoding the base sequence of a nucleic acid such as DNA or RNA.

1990年から2005年の間に30億ドルの予算を投じたヒトゲノム計画では、解読が最も容易な部分(全体の93%)を予定よりも2,3年早く読み取ることができ、非特許文献1にみられるように解読に必要な技術や方法を遺産として残した。そうした技術はその後もさらに改良が進み、今日では約2000万ドル($2×107)程度で、実用に耐えられる精度でのゲノム解読が可能になった。それでもなお、この金額では大規模な塩基配列解読ができるのは、専門の解読センターか、巨額の予算を得た大きな研究プロジェクトに限られる。しかし、配列決定のコストが下がれば、より大量のゲノムを多数扱うことができる。例えば患者と健常者のゲノムの比較が可能となり、結果としてゲノム情報の価値の向上が期待される。非特許文献2にみられるようにこのような基礎的データの取得は将来のテーラーメード医療への発展に大きく寄与することが予想される。 In the Human Genome Project with a budget of 3 billion dollars between 1990 and 2005, the easiest part (93% of the whole) can be read a few years earlier than planned. As you can see, the techniques and methods necessary for decoding were left as a legacy. Such technology has been further improved since then, and it is now possible to perform genome decoding at an accuracy of about 20 million dollars ($ 2 × 10 7 ). Nonetheless, large amounts of base sequence decoding with this amount is limited to specialized decoding centers or large research projects with large budgets. However, if the sequencing cost is reduced, a larger number of larger genomes can be handled. For example, it becomes possible to compare the genomes of patients and healthy individuals, and as a result, the value of genome information is expected to be improved. As seen in Non-Patent Document 2, the acquisition of such basic data is expected to greatly contribute to the future development of tailor-made medicine.

上述した状況の下、米国立衛生研究所(NIH)が資金援助している「革新的ゲノム配列決定技術」のための2つのプログラムは、2009年までにヒトゲノム解読1人分で10万ドル($1×105)、そしてそれを2014年までに1000ドル($1×103)にすることを目標としている。いわゆる「1000ドルゲノム」解読技術の開発である。 Under the circumstances described above, two programs for “Innovative Genome Sequencing Technology” funded by the National Institutes of Health (NIH) will cost $ 100,000 for one human genome by 2009 ( $ 1 × 10 5 ), and the goal is to make it $ 1000 ($ 1 × 10 3 ) by 2014. This is the development of the so-called “$ 1000 genome” decoding technology.

既に非特許文献3にみられるように454Life Science社,Solexa社およびAB社の3社の次世代シーケンサが商品化されている。これらの技術は既に従来技術の1/10〜1/100のコストを達成している。また、1回の解析により計測可能な塩基数も109オーダーを達成している。しかしながらこれらのシーケンサのコスト面での向上はほぼ頭打ちであり、既に商品化されている装置・方式による$1000ゲノムの達成は困難と予想されている。 As seen in Non-Patent Document 3, the next-generation sequencers of 454 Life Science, Solexa, and AB have been commercialized. These techniques have already achieved the cost of 1/10 to 1/100 of the prior art. In addition, the number of bases that can be measured by one analysis has reached 10 9 orders. However, the improvement in cost of these sequencers has almost reached its peak, and it is expected that it will be difficult to achieve $ 1000 genome by using commercially available devices and systems.

また、現在市販されている次世代シーケンサは109程度までの塩基配列を解読できるものの、109塩基に相当する大量データの配列解読のランタイムのみで2,3日以上の時間を要している。医療現場において個人レベルのゲノム配列解読がルーチン・ワークとなるためにはコストのみならず配列解読の高速化が必要となる。 Moreover, although the next-generation sequencer currently on the market can decode up to about 10 9 base sequences, it takes a few days or more only for the sequence decoding runtime of a large amount of data corresponding to 10 9 bases. . In order to make genome sequencing at the personal level a routine work in the medical field, it is necessary to speed up sequencing as well as cost.

特許文献1にはAB社の次世代シーケンサにおけるシステムの詳細が述べられている。システムは、CCDカメラ,蛍光顕微鏡,可動ステージ,Peltierフローセル,温度制御装置,液体操作装置および専用のコンピュータを備える。AB社のシステムでは、Olympusエピ蛍光顕微鏡本体(横向きに設置)を主部とし、自動オートフォーカシングステージおよびCCDカメラを備える。回転式ホルダ内の4つのフィルタキューブにより、さまざまな励起および発光波長での4色検出が可能である。装置はカメラが常時作動中で維持されるように設計されている。そのためにAB社やHelicos社の次世代シーケンサは2つのフローセルを装着して、1つのフローセルの反応時間中にもう1つのフローセルを用いて蛍光画像の取得を行うシステムを採用している。   Patent Document 1 describes details of a system in a next-generation sequencer of AB company. The system includes a CCD camera, a fluorescence microscope, a movable stage, a Peltier flow cell, a temperature control device, a liquid operation device, and a dedicated computer. The AB company system has an Olympus epifluorescence microscope main body (installed sideways) as the main part, and includes an automatic autofocusing stage and a CCD camera. Four filter cubes in the rotary holder allow four color detection at various excitation and emission wavelengths. The device is designed so that the camera is kept in operation at all times. For this purpose, the next-generation sequencers of AB and Helicos employ a system in which two flow cells are mounted and a fluorescence image is acquired using the other flow cell during the reaction time of one flow cell.

特表2008−528040号公報JP 2008-528040 Gazette

Nature Reviews, vol5, pp335, 2004Nature Reviews, vol5, pp335, 2004 『ヒトゲノム完全解読から「ヒト」理解へ』、pp253,服部正平、東洋書店、2005“From complete human genome decoding to understanding“ human ””, pp253, Shohei Hattori, Toyo Shoten, 2005 Nature, vol.449, pp627, 2007Nature, vol.449, pp627, 2007

上記背景技術で説明したように、次世代シーケンシング技術においては更なるスループットの向上が望まれている。しかしながら、シーケンシングのスループット向上において伸長反応に代表される生化学反応が律速となっている。ポリメラーゼを用いる伸長反応及びリガーゼを用いるライゲーション反応のいずれも反応が完了するまでに90分程度のインキュベーションを要する。このインキュベーション時間をデッドタイムとしないために、AB社やHelicos社は装置に2つのフローセルを装着して、1つのフローセルの反応時間中にもう1つのフローセルを用いて蛍光画像の取得を行うシステムを採用している。しかしながら、上述の方式でも依然最小ユニットの反応に要する時間が律速なために、スループットの更なる向上が困難であった。   As described in the background art above, in the next generation sequencing technology, further improvement in throughput is desired. However, biochemical reactions typified by extension reactions are rate-limiting in improving sequencing throughput. Both the extension reaction using polymerase and the ligation reaction using ligase require incubation of about 90 minutes until the reaction is completed. In order not to set this incubation time as dead time, AB and Helicos have installed a system with two flow cells and acquired a fluorescence image using another flow cell during the reaction time of one flow cell. Adopted. However, even in the above-described method, since the time required for the reaction of the minimum unit is still rate-limiting, it is difficult to further improve the throughput.

また、次世代シーケンシング技術では、光源ON/OFF時の挙動が不安定なレーザあるいは或いは高出力の水銀ランプやXeランプを用いている。これらの光源そのもののON/OFFを秒のオーダーで制御することには困難が伴った。そのため、上記いずれの方式においてもCCDのデータ転送時には高価なシャッタにより励起光を遮断する必要があった。   In the next-generation sequencing technology, a laser with unstable behavior when the light source is turned on or off, or a high-power mercury lamp or Xe lamp is used. It was difficult to control the ON / OFF of these light sources themselves on the order of seconds. Therefore, in any of the above systems, it is necessary to block the excitation light with an expensive shutter during CCD data transfer.

また、蛍光検出を行うための基板として表面修飾を施したスライドガラスが広く用いられている。実験時においてはユーザが手動でスライドガラス上にビーズを吸着させる必要があるが、スライドガラスが剥き出しであるためハンドリングに細心の注意を要するため、使い勝手の改善が待たれている。   In addition, a glass slide with surface modification is widely used as a substrate for fluorescence detection. At the time of the experiment, the user needs to manually adsorb the beads on the slide glass. However, since the slide glass is exposed, careful handling is required, and improvement in usability is awaited.

また、従来の落射蛍光照明においては通常スライド面に対して励起光を対物レンズの後焦点面の中央に垂直に集光させることでケーラー照明といわれる均一な照明を行っている。この後焦点面の縁に入射後を垂直に集光させスライドガラス表面で全反射照明を達成することが可能となる。   Moreover, in the conventional epi-illumination, uniform illumination called Koehler illumination is performed by converging excitation light perpendicularly to the center of the rear focal plane of the objective lens on a normal slide surface. After this, it becomes possible to achieve total reflection illumination on the surface of the slide glass by converging vertically after incidence on the edge of the focal plane.

本発明では低価格な高輝度LED光源を使用して、従来用いられてきた水銀ランプなどのアーク光源による蛍光励起の10倍以上のパワー密度を達成する。これにより検出における励起光照射時間を1/10以下とすることで検出に要する時間を短縮する。これにより従来律速となっていた最小ユニットの反応時間内に3枚以上の複数の反応基板を並列に処理することにより、従来律速となっていた最小ユニットの反応時間に限定されることなくスループットの向上を図ることが可能となる。   In the present invention, a low-priced high-intensity LED light source is used to achieve a power density that is 10 times or more that of fluorescence excitation by a conventionally used arc light source such as a mercury lamp. Thereby, the time required for detection is shortened by setting the excitation light irradiation time in detection to 1/10 or less. As a result, by processing three or more reaction substrates in parallel within the reaction time of the minimum unit, which has been the conventional rate-determining method, the throughput can be reduced without being limited to the reaction time of the minimum unit, which has been the conventional rate-determining method. It is possible to improve.

また、LEDを用いることでシャッタを用いることなく、電流制御により励起光の照射を制御できる。従って、シャッタレスのシステムの構築が可能となり、低コスト化が図れる。   Further, by using the LED, irradiation of excitation light can be controlled by current control without using a shutter. Therefore, it is possible to construct a shutterless system, and the cost can be reduced.

また、スライドガラスをパッケージングすることにより、スライドガラスのハンドリングを容易なものとする。更にパッケージングしたスライドガラス中に蛍光色素の発光の基点となるビーズを予め配置することにより、更にユーザの負担を軽減することが可能となる。   Further, the slide glass is packaged to facilitate handling of the slide glass. Furthermore, it is possible to further reduce the burden on the user by preliminarily placing beads serving as a base point of light emission of the fluorescent dye in the packaged slide glass.

本発明の蛍光測定装置は低価格なLED光源を使用して、検出に要する時間を短縮する。これにより最小ユニットの反応時間内のスキャン枚数を3枚以上に並列化する。本発明の効果として低コストかつハイスループットなDNAシーケンサのシステムを実現する。   The fluorescence measuring apparatus of the present invention uses a low-cost LED light source to shorten the time required for detection. As a result, the number of scans within the minimum unit reaction time is parallelized to three or more. As an effect of the present invention, a low-cost and high-throughput DNA sequencer system is realized.

また、LEDの採用によるシャッタレスのシステムを構築し、装置の低コスト化を実現する。   In addition, a shutterless system using LEDs is constructed to reduce the cost of the device.

更にスライドガラスのパッケージ化を図ることにより、ユーザの操作性を向上させる効果をもたらす。   Further, the packaging of the slide glass brings about an effect of improving the operability for the user.

実施例1におけるスライドガラスのパッケージングについての説明図。FIG. 3 is an explanatory diagram about packaging of a slide glass in Example 1. 実施例2におけるシーケンス反応についての説明図。Explanatory drawing about the sequence reaction in Example 2. FIG. 実施例3において用いる蛍光色素の吸収スペクトルと蛍光スペクトル。The absorption spectrum and fluorescence spectrum of the fluorescent dye used in Example 3. 実施例3における2個或いは4個のLEDより構成される光源についての説明図。Explanatory drawing about the light source comprised from 2 or 4 LED in Example 3. FIG. 実施例3におけるLED照明のために用い光学素子の配置についての説明図。Explanatory drawing about arrangement | positioning of the optical element used for LED illumination in Example 3. FIG. 実施例3におけるRoyal BlueのLEDの発光スペクトル。The emission spectrum of Royal Blue LED in Example 3. 実施例3におけるWarm WhiteのLEDの発光スペクトル。The emission spectrum of Warm White LED in Example 3. 実施例3におけるLEDからの発光を混合するためのダイクロイックミラーの透過特性。The transmission characteristic of the dichroic mirror for mixing the light emission from LED in Example 3. FIG. 実施例3における4蛍光色素用のバンドパスフィルタの透過特性。The transmission characteristic of the bandpass filter for 4 fluorescent dyes in Example 3. 実施例3における4蛍光色素用のエミッションフィルタの透過特性。The transmission characteristic of the emission filter for 4 fluorescent dyes in Example 3. FIG. 実施例3における4蛍光色素用のダイクロイックミラーの透過特性。The transmission characteristics of the dichroic mirror for four fluorescent dyes in Example 3. 実施例3における落射蛍光装置についての説明図。Explanatory drawing about the epi-illumination fluorescent device in Example 3. FIG. 実施例3においてシャッタレス化した場合のタイミングチャート。9 is a timing chart when the shutter is not used in the third embodiment. 実施例4における複数のスライドガラスの並列処理する方法についての説明図。Explanatory drawing about the method of carrying out the parallel processing of the some slide glass in Example 4. FIG. 実施例4における複数のスライドガラスの並列処理する方法についての説明。The description about the method of carrying out the parallel processing of the some slide glass in Example 4. FIG. 実施例4における複数のスライドガラスの並列処理する方法についての説明。The description about the method of carrying out the parallel processing of the some slide glass in Example 4. FIG. 実施例5におけるスライドガラスのパッケージングについての説明図。Explanatory drawing about the packaging of the slide glass in Example 5. FIG. DNA断片が多数結合したビーズをスライドガラスに固定する説明図。Explanatory drawing which fixes the bead which many DNA fragments couple | bonded to a slide glass. ビーズが予め配列されたスライドガラスがパッケージングされている場合の説明図。Explanatory drawing in case the slide glass by which the bead was previously arranged is packaged.

本発明の第1の実施例として、解析すべきDNA断片を複数結合したビーズを予めパッケージングされたスライドガラス上に固定する方法について図1を用いて以下に説明する。パッケージングされたスライドガラスは上面のカバー103とスライドガラス107によってスペーサ104を挟み込むことにより形成する。溶液交換を円滑に行うため、スペーサの104厚みは350um程度が望ましい。カバー103上面には溶液のインレットとなるセプタ101及びアウトレットとなるセプタ102が形成されている。このセプタ101、102に注射針などを挿入し、溶液を注入することでフローセル内に溶液を満たすことができる。この場合、セプタ101をインレットとして、溶液を注入する。セプタ102はアウトレットとして空気抜きの役割を担う。溶液内にはプローブオリゴ109を複数固定したビーズ108が多数存在している。ビーズ108はスライドガラス107と接触した際に共有結合を形成するように化学処理されているため、溶液を満たしたスライドガラス107を遠心することによりビーズ108はスライドガラス107上に沈降し、固定される。   As a first embodiment of the present invention, a method for fixing beads, to which a plurality of DNA fragments to be analyzed are bound, on a pre-packaged slide glass will be described below with reference to FIG. The packaged slide glass is formed by sandwiching the spacer 104 between the cover 103 and the slide glass 107 on the upper surface. In order to perform solution exchange smoothly, the thickness of the spacer 104 is preferably about 350 μm. On the upper surface of the cover 103, a septa 101 serving as a solution inlet and a septum 102 serving as an outlet are formed. By inserting an injection needle or the like into the septa 101, 102 and injecting the solution, the solution can be filled in the flow cell. In this case, the solution is injected using the septa 101 as an inlet. The septa 102 plays a role of venting air as an outlet. A large number of beads 108 having a plurality of probe oligos 109 immobilized therein exist in the solution. Since the beads 108 are chemically treated so as to form a covalent bond when they are brought into contact with the slide glass 107, the beads 108 are settled on the slide glass 107 and fixed by centrifuging the slide glass 107 filled with the solution. The

パッケージングされていないままのスライドガラス107を用いる場合、スライドガラス107の表面をユーザが不注意に触れてしまう危険性があった。また、スライドガラス107に固定したビーズ108は乾燥すると化学状態が変化してしまうため、後段のシーケンシング反応が円滑に進行しなくなる。従ってビーズ108が結合したスライドガラス107の表面には乾燥を発生させないため、常時水溶液内に存在させる必要がある。従って、本実施例で説明したパッケージングされたスライドガラス107を用いることにより、スライドガラス107への接触及びスライドガラス107上のビーズ108の乾燥を防止することが可能となる。また、予めパッケージングされたスライドガラス107を使用することにより、操作性よくビーズ108をスライドガラス107上に固定することが可能となる。   When the slide glass 107 that has not been packaged is used, there is a risk that the user may inadvertently touch the surface of the slide glass 107. Further, since the chemical state of the beads 108 fixed on the slide glass 107 changes when dried, the subsequent sequencing reaction does not proceed smoothly. Therefore, since the surface of the slide glass 107 to which the beads 108 are bonded does not dry, it is necessary to always exist in the aqueous solution. Therefore, by using the packaged slide glass 107 described in this embodiment, it is possible to prevent the glass 108 from contacting the slide glass 107 and drying the beads 108 on the slide glass 107. Further, by using the pre-packaged slide glass 107, the beads 108 can be fixed on the slide glass 107 with good operability.

次に本発明の第2の実施例として、シーケンス反応について図2を用いて以下に説明する。フローセル213内のスライドガラス表面には反応液がセプタ211,212を通して注入されている。反応液はそれぞれ異なる蛍光色素でラベルされた4種類のヌクレオチドおよびポリメラーゼを含む。各ヌクレオチドはそれぞれFAM−dCTP214,Cy3−dATP215,y5−dCTP216,Cy5−dCTP217である。各ヌクレオチドの濃度は200nMである。また、反応液は伸張反応が効率よく行われるように塩濃度,マグネシウム濃度およびpHが最適化されている。計測領域218は、サンプル面上における対物レンズの計測可能な視野である。従ってスライドガラス全面を計測するためには、少なくともスライドガラス全面の面積を計測領域218の面積で除した数だけスキャンする必要がある。反応開始前に配列を解読したいDNA断片206とプローブオリゴ205はハイブリダイゼーションさせる。反応溶液中にはポリメラーゼが含まれており、DNA断片206に相補的な蛍光ヌクレオチドが1塩基だけ取り込まれる。2塩基目の伸長が発生しないのは、1塩基目の蛍光色素がバルキーであるため、2塩基目の取り込みについて立体障害を起こすからである。1塩基が取り込まれた後、浮遊する蛍光ヌクレオチドを洗浄により除去した後、蛍光計測を行う。なお、以降の最小ユニットの反応を行うために、蛍光計測後、解離溶液により塩基から蛍光色素を解離させる工程が必須である。この工程により、最小ユニットの反応における蛍光色素の立体障害をリセットすることができる。これにより反応の継続が可能となる。再び蛍光ヌクレオチドをフローセル内に送液し、反応を繰り返すことにより、DNA断片206の逐次的なシーケンスが可能となる。   Next, as a second embodiment of the present invention, a sequence reaction will be described below with reference to FIG. A reaction solution is injected through the septa 211, 212 onto the surface of the slide glass in the flow cell 213. Each reaction solution contains four types of nucleotides and polymerases labeled with different fluorescent dyes. Each nucleotide is FAM-dCTP214, Cy3-dATP215, y5-dCTP216, Cy5-dCTP217, respectively. The concentration of each nucleotide is 200 nM. In addition, the salt concentration, the magnesium concentration, and the pH of the reaction solution are optimized so that the extension reaction can be performed efficiently. The measurement region 218 is a visual field capable of measuring the objective lens on the sample surface. Therefore, in order to measure the entire surface of the slide glass, it is necessary to scan at least the number obtained by dividing the entire area of the slide glass by the area of the measurement region 218. Before starting the reaction, the DNA fragment 206 whose probe sequence is to be decoded and the probe oligo 205 are hybridized. A polymerase is contained in the reaction solution, and only one base of fluorescent nucleotide complementary to the DNA fragment 206 is incorporated. The extension of the second base does not occur because the fluorescent dye of the first base is bulky and causes steric hindrance for the incorporation of the second base. After one base is incorporated, the floating fluorescent nucleotide is removed by washing, and then fluorescence measurement is performed. In order to carry out the reaction of the minimum unit thereafter, a step of dissociating the fluorescent dye from the base with the dissociation solution after the fluorescence measurement is essential. This step can reset the steric hindrance of the fluorescent dye in the minimum unit reaction. This allows the reaction to continue. The fluorescent nucleotide is again fed into the flow cell and the reaction is repeated, whereby a sequential sequence of the DNA fragments 206 becomes possible.

次に本発明の第3の実施例として、LEDを蛍光色素の励起用光源として用いるシーケンス反応計測にいついて図3,図4,図5,図6,図7,図8を用いて以下に説明する。シーケンス反応には実施例2で説明したように4種類の蛍光色素を用いる。より具体的な4種類の蛍光色素セットの例としては図3に示すようにFAM,Cy3,Texas Red,Cy5を挙げることが可能である。図3(a)および(b)にFAM,Cy3,Texas Red,Cy5の吸収および発光特性を示す。図3(a)よりFAM,Cy3,Texas Red,Cy5の最適な励起波長は495,512,590,650nmであることがわかる。この4つの蛍光色素を励起するために、図4(a)で示すように2つのLEDを用いることが考えられる。より具体的には1つはRoyal Blue色のLEDであり、これはFAMの励起に用いる。もう1つは広い波長範囲に渡って励起光を発生することができるWarm-White色のLEDであり、これはCy3,Texas Red,Cy5の励起に用いる。この2つのLEDの発光特性を図6(a),(b)に示す。Royal Blue色のLED401はスペクトル幅が小さく、450nm付近に発光中心波長を持ち、FAM蛍光色素を効率よく励起することができる。Warm-white色のLED402は白色光源に近い広いスペクトル幅を示し、Cy3,Texas Red,Cy5を効率よく励起することができる。それぞれのLEDのカタログに記載されている出力は515mW,180lumenである。また、これらのLEDから発せられた光より色素励起に最適な波長成分を通過させるためのバンドパスフィルタの波長特性を図6(d)に示す。4つの色素の励起時にはこれらのバンドパスフィルタを光源であるLEDの前に順次設置することにより、各色素に最適な励起光を選択することができる。   Next, as a third embodiment of the present invention, a sequence reaction measurement using an LED as a light source for exciting a fluorescent dye was used and will be described below with reference to FIGS. 3, 4, 5, 6, 7 and 8. explain. As described in Example 2, four kinds of fluorescent dyes are used for the sequence reaction. More specific examples of four types of fluorescent dye sets include FAM, Cy3, Texas Red, and Cy5 as shown in FIG. 3A and 3B show the absorption and emission characteristics of FAM, Cy3, Texas Red, and Cy5. FIG. 3A shows that the optimum excitation wavelengths of FAM, Cy3, Texas Red, and Cy5 are 495, 512, 590, and 650 nm. In order to excite these four fluorescent dyes, it is conceivable to use two LEDs as shown in FIG. More specifically, one is a Royal Blue LED, which is used for FAM excitation. The other is a Warm-White LED that can generate excitation light over a wide wavelength range, and is used for excitation of Cy3, Texas Red, and Cy5. The light emission characteristics of these two LEDs are shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b). The Royal Blue LED 401 has a small spectral width, has an emission center wavelength near 450 nm, and can efficiently excite the FAM fluorescent dye. The warm-white LED 402 has a wide spectrum width close to that of a white light source, and can efficiently excite Cy3, Texas Red, and Cy5. The output described in the catalog of each LED is 515 mW, 180 lumen. In addition, FIG. 6D shows the wavelength characteristics of a band-pass filter for allowing a wavelength component optimum for dye excitation to pass through from the light emitted from these LEDs. When the four dyes are excited, these band pass filters are sequentially placed in front of the LED as the light source, whereby the optimum excitation light can be selected for each dye.

LED401,402は700mAの電流を流すことにより発光する。LED401,402の素子サイズは1mm角であるが、砲弾レンズのために見かけの素子サイズは1.39mm角となる。   The LEDs 401 and 402 emit light when a current of 700 mA flows. The element size of the LEDs 401 and 402 is 1 mm square, but the apparent element size is 1.39 mm square for the bullet lens.

LED照明を行う場合の光学素子の配置について図5を用いて以下に説明する。LED121で発光した光は非球面レンズ122により集光され、バンドバスフィルタ123を通過し、対物レンズ124の瞳面に結像する。対物レンズ124の瞳にLED121の像を置いた場合には、ケーラー照明が達成される。ケーラー照明とは光源自体に輝度ムラがあった場合においてもサンプル面での照明を均一に行うことができる照明法のことである。像のある位置から射出した光は、射出した位置に対応した角度でサンプル面を通過・照明する。以上の構成でスライドガラス125上に固定された上の蛍光色素126をLED光源の輝度ムラに依存することなく均一に照明することが可能となる。   The arrangement of the optical elements when performing LED illumination will be described below with reference to FIG. The light emitted from the LED 121 is collected by the aspheric lens 122, passes through the bandpass filter 123, and forms an image on the pupil plane of the objective lens 124. Koehler illumination is achieved when the image of the LED 121 is placed on the pupil of the objective lens 124. Koehler illumination is an illumination method that can uniformly illuminate the sample surface even when the light source itself has uneven brightness. Light emitted from a position where an image is present passes through and illuminates the sample surface at an angle corresponding to the emitted position. With the above configuration, the fluorescent dye 126 fixed on the slide glass 125 can be illuminated uniformly without depending on luminance unevenness of the LED light source.

より詳細な光学素子の大きさおよび位置について以下に説明する。非球面レンズ122の直径は16mmで前焦点距離(BFL)は11.2mm、後焦点距離(BFL)は7.8mm、厚みは6mmである。また、LEDの発光面は1mm角の大きさであるが、砲弾レンズがLEDに被さっているため、LEDの見かけの大きさは1.39mmとなる。また、20倍対物レンズ(NA0.45)と焦点距離180mmの集光レンズを用いる場合、対物レンズの焦点距離は180/20=9mmとなる。対物レンズがサンプル面で発光したビーズから光を集光できる角度はNA=nsinθの公式よりsinθ=NA/n=0.45/1=0.45である。従って対物レンズの瞳の直径は2×9mm×0.45=8.1mmとなる。従って1.39mmのLEDを8.1mm以下に結像する光学系の構築が必要である。この場合、光学系の倍率は8.1/1.39=5.8倍である。前焦点距離11.2mmの比球面レンズを用いて5.8倍の拡大像を作りたい場合、物体を置くべき位置を計算することができる。結論としてLED固定面から光軸上での非球面レンズの像側の面までの距離を15.8mmとすれば、非球面レンズの像側の面からLEDの像が形成される距離は一意に76.0mmと決定される。従ってこの位置に対物レンズの瞳面を設置することによりケーラー照明が達成される。   More detailed sizes and positions of the optical elements will be described below. The aspherical lens 122 has a diameter of 16 mm, a front focal length (BFL) of 11.2 mm, a rear focal length (BFL) of 7.8 mm, and a thickness of 6 mm. In addition, although the light emitting surface of the LED is 1 mm square, since the bullet lens covers the LED, the apparent size of the LED is 1.39 mm. When a 20 × objective lens (NA 0.45) and a condensing lens with a focal length of 180 mm are used, the focal length of the objective lens is 180/20 = 9 mm. The angle at which the objective lens can collect light from the beads emitted from the sample surface is sinθ = NA / n = 0.45 / 1 = 0.45 according to the formula NA = nsinθ. Therefore, the diameter of the pupil of the objective lens is 2 × 9 mm × 0.45 = 8.1 mm. Therefore, it is necessary to construct an optical system that images a 1.39 mm LED to 8.1 mm or less. In this case, the magnification of the optical system is 8.1 / 1.39 = 5.8 times. If it is desired to create a 5.8 times magnified image using a specific spherical lens with a front focal length of 11.2 mm, the position where the object should be placed can be calculated. As a conclusion, if the distance from the LED fixed surface to the image side surface of the aspheric lens on the optical axis is 15.8 mm, the distance at which the LED image is formed from the image side surface of the aspheric lens is unique. It is determined to be 76.0 mm. Therefore, Koehler illumination is achieved by installing the pupil plane of the objective lens at this position.

次にLEDから出射した光をサンプル面上に集光できるパワー密度について以下に見積もる。例としてFAMの励起に用いるRoyal Blue のLEDを用いて説明する。このLEDの出力はカタログ値で515mWである。515mWの光は非球面レンズ122より1/3以上集光できる。非球面レンズ122を通過後、集光する光路上にFAM用のバンドパスフィルタ(図6(d)に図示)を設置することによりFAM励起に適した波長帯域が選択される。バンドパスフィルタにより選択されるエネルギー量はバンドパスフィルタの幅にも依存するが、図6(d)のバンドパスフィルタを用いた場合は約30%のエネルギーが選択される。また、バンドパスおよびダイクロイックミラー,対物レンズ通過時に失うエネルギー量の割合をそれぞれ95%,90%,90%とする。最終的にスライドガラスのサンプル面上に到達する光のパワー密度は515mW×1/3×0.3×0.95×0.9×0.9=35.7mWを得る。20倍対物レンズの照明範囲は1mm以下であるため、最終的なパワー密度は35.7mW/mm2以上となる。Cy3,Texas Red,Cy5におけるパワー密度についても図6(b)に示されるWarm-White LEDのスペクトルについてCy3,Texas Red,Cy5のバンドパスフィルタを通過させた場合の光量を見積もることで算出できる。結果として得られたパワー密度はCy3,Texas Red,Cy5につきそれぞれ15.0,15.7,14.8mW/mm2である。この値は一般に蛍光色素の観察に必要とされるパワー密度である1.5mW/mm2よりも10倍以上大きいため、従来よりも短い露光時間で信号を取得することが可能である。 Next, the power density capable of condensing the light emitted from the LED on the sample surface is estimated below. As an example, a description will be given using a Royal Blue LED used for FAM excitation. The output of this LED is a catalog value of 515 mW. The light of 515 mW can be condensed by the aspherical lens 122 by 1/3 or more. After passing through the aspherical lens 122, a wavelength band suitable for FAM excitation is selected by installing a bandpass filter for FAM (shown in FIG. 6D) on the optical path for condensing. The amount of energy selected by the bandpass filter depends on the width of the bandpass filter, but when the bandpass filter of FIG. Further, the ratios of energy amounts lost when passing through the band pass, the dichroic mirror, and the objective lens are 95%, 90%, and 90%, respectively. The power density of light finally reaching the sample surface of the slide glass is 515 mW × 1/3 × 0.3 × 0.95 × 0.9 × 0.9 = 35.7 mW. Since the illumination range of the 20 × objective lens is 1 mm or less, the final power density is 35.7 mW / mm 2 or more. The power density in Cy3, Texas Red, and Cy5 can also be calculated by estimating the amount of light when the Warm-White LED spectrum shown in FIG. 6B is passed through the bandpass filter of Cy3, Texas Red, and Cy5. The resulting power densities are 15.0, 15.7, and 14.8 mW / mm 2 for Cy3, Texas Red, and Cy5, respectively. Since this value is 10 times or more larger than the power density of 1.5 mW / mm 2 which is generally required for observation of fluorescent dyes, it is possible to acquire a signal with a shorter exposure time than in the past.

次にLEDを用いた照明光源について図4を用いて説明する。LED401,402は発生した熱を大気中に逃がすためにヒートシンク403,404にそれぞれ固定されている。更に詳細には図5で示されるように発生した熱はサーミスタ129でモニタされ、熱を効率よく外部へと散逸させるためにファン128により送風される。また、フォトダイオード130を用いることでLED121の劣化をモニタすることができる。図4においてLED401,402で発光した光は0.7以上のNAを持つ非球面レンズ406及び407で集光される。LED401及び402から発した光はダイクロイックミラー408により同一光路上に導かれる。本実施例で用いたダイクロイックミラーの分光特性を図6(c)に示す。このダイクロイックミラーは500nm近傍で急峻に立ち上がるため、LED401からの光は反射し、LED402からの光を直進させることで効率よく2つのLEDからの光を混合することができる。混合された光はミラー409で反射され、測定対象物に対して照射される。なお図4(b)では4色の蛍光色素の励起波長に最適化された4つのLED410,411,412,413を用いる。(a)と比較して強い信号を取得することができる反面、ダイクロイックミラーおよびミラーなどを(a)よりも多数用意する必要があるため、コスト高であるという問題も発生する。従って以下より2つのLEDを用いた説明を行う。   Next, an illumination light source using LEDs will be described with reference to FIG. The LEDs 401 and 402 are fixed to heat sinks 403 and 404, respectively, for releasing generated heat into the atmosphere. More specifically, as shown in FIG. 5, the generated heat is monitored by the thermistor 129 and is blown by the fan 128 to efficiently dissipate the heat to the outside. Further, the deterioration of the LED 121 can be monitored by using the photodiode 130. In FIG. 4, the light emitted from the LEDs 401 and 402 is collected by the aspheric lenses 406 and 407 having NA of 0.7 or more. Light emitted from the LEDs 401 and 402 is guided to the same optical path by the dichroic mirror 408. FIG. 6C shows the spectral characteristics of the dichroic mirror used in this example. Since this dichroic mirror rises steeply in the vicinity of 500 nm, the light from the LED 401 is reflected, and the light from the LED 402 is allowed to go straight so that the light from the two LEDs can be mixed efficiently. The mixed light is reflected by the mirror 409 and irradiated onto the measurement object. In FIG. 4B, four LEDs 410, 411, 412, and 413 optimized for the excitation wavelengths of four color fluorescent dyes are used. While it is possible to obtain a stronger signal than in (a), it is necessary to prepare a larger number of dichroic mirrors and mirrors than in (a), which causes a problem of high cost. Therefore, description using two LEDs will be given below.

更に図7を用いて4蛍光色素の蛍光計測装置について説明する。LED光源501は電源519から駆動回路518を経て駆動され、発光する。LED401,402が格納されたLED光源501より射出した光は、回転ターレット502に保持されたキューブ504,505,506,507に向かう。キューブ504,505,506,507にはそれぞれ図6(d),(e),(f)で図示されたバンドパスフィルタ521,ダイクロイックミラー522,エミッションフィルタ523が装着されている。キューブ504,505,506,507内の光学フィルタはそれぞれFAM,Cy3,Texas Red,Cy5について最適化されている。回転ターレット502は測定すべき蛍光色素に適したキューブを回転させることで光路上に設置する。LED401及び402から発した光はバンドパスフィルタ521を経てダイクロイックミラー522により上方に反射され、対物レンズ509により集光され、スライドガラス上に固定されたビーズに照射される。伸長反応に伴ってビーズ上に取りこまれた蛍光色素は励起され、蛍光を発する。スライドガラス上で等方的に発光した蛍光のうち一部が再び対物レンズ509により回収され、平行光となる。更に蛍光はダイクロイックミラー522,エミッションフィルタ523を通過し、集光レンズ517を経てCCD516の検出面で像を形成する。伸長反応に伴い、フローセル上では固定されたビーズ上で蛍光色素が取り込まれ、4色のうち伸長した塩基に相当する1色の蛍光を発する。以下FAMの場合を例として説明する。伸長反応に伴い、取り込まれたFAM−dCTPを励起するためにLED401がONとなりLED402はOFFとなる。また、回転ターレットはキューブ504を回転させて光路に導く。これによりFAMに最適な励起光がサンプル面に照射され、FAM−dCTPが取り込まれたビーズのみが発光する。この蛍光像をCCDカメラ520で取得・保存する。次にCy3,Texas Red,Cy5の蛍光像を取得するためにLED401はOFF、LED402をONとする。Cy3の励起を行うために光路にキューブ505を導く。これによりCy3に最適な励起光がサンプル面に照射され、Cy3−dATPが取り込まれたビーズのみが発光する。蛍光像取得の直前にはピントを合わせるため、対物レンズオートフォーカス用モータ508により対物レンズ509をZ方向に駆動し、オートフォーカスを行う。   Further, a fluorescence measuring apparatus for four fluorescent dyes will be described with reference to FIG. The LED light source 501 is driven from a power source 519 through a drive circuit 518 to emit light. The light emitted from the LED light source 501 in which the LEDs 401 and 402 are stored travels to the cubes 504, 505, 506, and 507 held by the rotating turret 502. The cubes 504, 505, 506, and 507 are equipped with the band pass filter 521, the dichroic mirror 522, and the emission filter 523 shown in FIGS. 6D, 6E, and 6F, respectively. The optical filters in cubes 504, 505, 506, and 507 are optimized for FAM, Cy3, Texas Red, and Cy5, respectively. The rotating turret 502 is placed on the optical path by rotating a cube suitable for the fluorescent dye to be measured. Light emitted from the LEDs 401 and 402 is reflected upward by the dichroic mirror 522 through the bandpass filter 521, condensed by the objective lens 509, and irradiated onto the beads fixed on the slide glass. The fluorescent dye incorporated on the beads with the extension reaction is excited and emits fluorescence. A part of the fluorescence emitted isotropically on the slide glass is again collected by the objective lens 509 and becomes parallel light. Further, the fluorescence passes through the dichroic mirror 522 and the emission filter 523, passes through the condenser lens 517, and forms an image on the detection surface of the CCD 516. Along with the extension reaction, the fluorescent dye is taken in on the fixed beads on the flow cell, and emits one color fluorescence corresponding to the extended base among the four colors. Hereinafter, the case of FAM will be described as an example. Along with the extension reaction, the LED 401 is turned on and the LED 402 is turned off to excite the captured FAM-dCTP. The rotating turret rotates the cube 504 and guides it to the optical path. As a result, excitation light optimal for FAM is irradiated onto the sample surface, and only the beads incorporating FAM-dCTP emit light. This fluorescent image is acquired and stored by the CCD camera 520. Next, in order to acquire fluorescent images of Cy3, Texas Red, and Cy5, the LED 401 is turned off and the LED 402 is turned on. In order to excite Cy3, a cube 505 is guided to the optical path. As a result, the excitation light optimal for Cy3 is irradiated on the sample surface, and only the beads incorporating Cy3-dATP emit light. In order to focus immediately before acquiring the fluorescent image, the objective lens 509 is driven in the Z direction by the objective lens autofocus motor 508 to perform autofocus.

LED401,402のON/OFFは駆動回路518によって容易に行うことができる。従来のシーケンサの光源はレーザ或いは水銀ランプやキセノンランプなどに用いられるアーク光源だった。しかし、これらの光源は光源ON/OFF時の挙動が不安定だった。従ってレーザあるいはアーク光源を光源として用いる場合にはCCDの転送時において高価なシャッタを用いて励起光を遮断する必要があった。この状態を図8(a)に示す。LED401,402のON/OFFは駆動回路518によって容易に行うことができるため、図8(b)のようにシャッタレスのシステムの構築が可能となり、装置の低コスト化が図れる。   The LEDs 401 and 402 can be easily turned on / off by the drive circuit 518. The light source of the conventional sequencer was an arc light source used for a laser or a mercury lamp or a xenon lamp. However, the behavior of these light sources when the light source was turned on / off was unstable. Therefore, when a laser or arc light source is used as the light source, it is necessary to block the excitation light by using an expensive shutter when transferring the CCD. This state is shown in FIG. Since the LEDs 401 and 402 can be easily turned on / off by the drive circuit 518, a shutterless system can be constructed as shown in FIG. 8B, and the cost of the apparatus can be reduced.

スライドガラス524は25×75mmの大きさであり、そのうちビーズを結合している反応領域は20×60mmの大きさである。計測に用いる対物レンズ509は視野数22の20x対物レンズである。従って計測可能な領域の大きさは770um角程度の大きさである。従ってスライドガラス524の全ての反応領域を計測するためにはスライドガラス524を移動させ、画像を取得する必要がある。20×60mmの領域を770um角の計測で網羅するためには2100回程度のスライドガラス524の移動が必要となる。この場合、スライドガラス524はXYステージにより移動する。   The slide glass 524 has a size of 25 × 75 mm, and the reaction region to which the beads are bonded has a size of 20 × 60 mm. The objective lens 509 used for measurement is a 20 × objective lens with 22 fields of view. Therefore, the size of the measurable area is about 770 um square. Therefore, in order to measure all the reaction areas of the slide glass 524, it is necessary to move the slide glass 524 and acquire an image. In order to cover a 20 × 60 mm area with a measurement of 770 um square, the slide glass 524 needs to be moved about 2100 times. In this case, the slide glass 524 is moved by the XY stage.

次に本発明の第4の実施例として、LEDを蛍光色素の励起用光源として用いるシーケンス反応計測の並列化について図9,図10,図11を用いて以下に説明する。   Next, as a fourth embodiment of the present invention, parallelization of sequence reaction measurement using an LED as a light source for exciting a fluorescent dye will be described below with reference to FIGS. 9, 10, and 11.

一般に1つの塩基の伸長に要する反応時間は90分程度と長い。従来の次世代シーケンサでは塩基伸長を行っている時間を有効に活用するため、1枚のスライドガラスで伸長反応を行っている90分の間にもう1枚のスライドガラスをスキャンできるように、2枚のスライドガラスの装着が可能なように設計されているものが多い。具体的な例としてはLifeTech社のSOLiDやHelicos社のHeliscopeなどを挙げることができる。   In general, the reaction time required for extension of one base is as long as about 90 minutes. In order to make effective use of the base extension time in the conventional next-generation sequencer, 2 slide glass can be scanned during 90 minutes when the extension reaction is performed with one slide glass. Many are designed so that a single slide glass can be mounted. Specific examples include LifeTech's SOLiD and Helicos' Heliscope.

本発明ではLEDを用いた照明を行い、FAM,Cy3,Texas Red,Cy5についてのパワー密度は35.7,15.0,15.7,14.8mW/mm2を得た。これは通常の水銀ランプなどを用いて蛍光色素を励起するために必要なパワー密度の1.5mW/mm2の10倍以上のパワー密度である。このことは純粋に光照射している時間を1/10以下に短縮できるということを意味する。露光時間を短縮することはスキャニング時間の大幅な短縮に繋がる。一方化学反応である最小ユニットの反応の短縮は反応効率の低下を招くため、短縮は困難である。従ってスループットの向上のためには最小ユニットの反応の90分の間に複数のスライドをどれだけ並列処理できるかによって決定される。図9(b)の表に示されるとおり、反応とスキャンに要する時間の比が1:1の場合は2枚のスライドの並列処理が可能である。ここで注目すべき点は、対物レンズやCCDカメラが1つであるため、スキャニングは並列化できないが、最小ユニットの反応については溶液をフローセルに満たすだけなので、並列化できるという点である。 In the present invention, illumination was performed using LEDs, and power densities of FAM, Cy3, Texas Red, and Cy5 were 35.7, 15.0, 15.7, and 14.8 mW / mm 2 . This is a power density that is 10 times or more of 1.5 mW / mm 2 of the power density necessary for exciting the fluorescent dye using a normal mercury lamp or the like. This means that the time during which light is purely irradiated can be shortened to 1/10 or less. Reducing the exposure time leads to a significant reduction in scanning time. On the other hand, shortening the reaction of the minimum unit, which is a chemical reaction, causes a reduction in the reaction efficiency, so that shortening is difficult. Therefore, to improve the throughput, it is determined by how many slides can be processed in parallel during 90 minutes of the reaction of the smallest unit. As shown in the table of FIG. 9B, when the ratio of the time required for reaction and scanning is 1: 1, two slides can be processed in parallel. What should be noted here is that since there is only one objective lens and CCD camera, scanning cannot be performed in parallel, but the reaction of the smallest unit can be performed in parallel because the solution is only filled in the flow cell.

反応とスキャンに要する時間の比が2:1の場合は3枚のスライドの並列処理が可能である。同様に反応とスキャンに要する時間の比が3:1の場合は4枚のスライドの並列処理が可能である。これを一般化して反応とスキャンに要する時間の比がn:1の場合はn+1枚のスライドの並列処理が可能である。   If the ratio of reaction to scan time is 2: 1, three slides can be processed in parallel. Similarly, when the ratio of the time required for reaction and scanning is 3: 1, parallel processing of four slides is possible. If this is generalized and the ratio of the time required for reaction and scanning is n: 1, parallel processing of n + 1 slides is possible.

図9(a)では4枚のスライドガラス704,705,706,707を同時並列処理する場合を示す。この場合、スライドガラス4枚を同時に搭載可能なXYステージが必要となる。スライドガラス707で伸長反応が進行している間にスライドガラス704,705,706のスキャンを完了し、次にスライドガラス706の伸長反応に移行する。この伸長反応の間にスライドガラス704,705,707のスキャンを行う。以上の手続きを繰り返すことで複数のスライドガラスの並列処理が可能となり、スループットをこの場合においては4倍向上させることが可能となる。   FIG. 9A shows a case where four slide glasses 704, 705, 706, and 707 are simultaneously processed in parallel. In this case, an XY stage capable of simultaneously mounting four slide glasses is required. The scanning of the slide glasses 704, 705, and 706 is completed while the extension reaction is progressing on the slide glass 707, and then the process proceeds to the extension reaction of the slide glass 706. The glass slides 704, 705, and 707 are scanned during this extension reaction. By repeating the above procedure, a plurality of slide glasses can be processed in parallel, and the throughput can be improved four times in this case.

図10でも同様の処理を10枚のスライドガラスについて行っている。10枚のスライドガラスを同時並列処理する場合を示す。この場合、10枚のスライドガラスを同時に搭載可能なXYステージが必要となる。スライドガラス804で伸長反応が進行している間にそれ以外のスライドガラスのスキャンを完了し、次にスライドガラス805の伸長反応に移行する。この間にスライドガラス805以外のスキャンを行う。以上の手続きを繰り返すことで10枚のスライドガラスの並列処理が可能となり、スループットを向上させることが可能となる。   In FIG. 10, the same processing is performed for 10 slide glasses. The case where 10 slide glasses are processed simultaneously in parallel is shown. In this case, an XY stage capable of simultaneously mounting 10 slide glasses is required. While the extension reaction is progressing on the slide glass 804, scanning of the other slide glass is completed, and then the process proceeds to the extension reaction of the slide glass 805. During this time, scanning is performed except for the slide glass 805. By repeating the above procedure, parallel processing of 10 slide glasses is possible, and throughput can be improved.

図11ではスライドガラスを環状ステージに設置し、複数のスライドガラスを同時並列処理する実施例を説明する。環状のステージには8枚のフローセルが設置されている。フローセル内にはスライドガラスが保持されている。フローセル911にはピペッタ907,908を介して反応液がフローセル内に送液される。環状ステージは反応時間/(8−1)≒13分毎に隣接するフローセルの位置まで回転する。ピペッタ912,913はスキャン直前に反応溶液を洗浄溶液で洗浄する。フローセル910のスキャン時には環状ステージはXY方向へ駆動し、フローセル910内のスライドガラス上に固定されたビーズから発せられる蛍光信号をスライド表面全体について取得することが可能である。プライマの解離反応などのために必要な温調装置906を設置する。環状ステージであるため8つのスライドガラス804について8つの温調装置を設置しなくてもよい。それはスライドガラス804は円運動を行うため、いずれのスライドガラス804も温調装置906を順次通過していくからである。ピペッタの設置個数についても同様の効果がある。従って環状ステージを採用することにより、ピペッタ907,908,912,913の能動的駆動を省略し、かつ温調装置906の個数を1個にできるという効果をもたらす。また、環状ステージは常時同じ速度で回転することも可能である。ステップ動作をしないで常時定常速度で回転しているため、装置としての安定性が向上する。   FIG. 11 illustrates an embodiment in which a slide glass is installed on an annular stage and a plurality of slide glasses are processed simultaneously in parallel. Eight flow cells are installed on the annular stage. A slide glass is held in the flow cell. The reaction solution is fed into the flow cell 911 via pipettes 907 and 908. The annular stage rotates to the position of the adjacent flow cell every reaction time / (8-1) ≈13 minutes. Pipettes 912 and 913 wash the reaction solution with a washing solution immediately before scanning. When the flow cell 910 is scanned, the annular stage is driven in the X and Y directions, and the fluorescence signal emitted from the beads fixed on the slide glass in the flow cell 910 can be acquired for the entire slide surface. A temperature control device 906 required for the primer dissociation reaction and the like is installed. Since it is an annular stage, it is not necessary to install eight temperature control devices for the eight slide glasses 804. This is because the slide glass 804 performs a circular motion, so that any slide glass 804 sequentially passes through the temperature control device 906. The same effect is obtained with respect to the number of pipettors installed. Therefore, by adopting the annular stage, it is possible to eliminate the active driving of the pipettors 907, 908, 912, and 913 and to reduce the number of temperature control devices 906 to one. Further, the annular stage can always rotate at the same speed. Since it always rotates at a steady speed without stepping, the stability of the apparatus is improved.

次に第5の実施例として、全反射照明による蛍光増強方法について図12を用いて以下に説明する。図12(a)に示すように通常の落射蛍光法では対物レンズを介してサンプル面に垂直に励起光が入射する。一方全反射照明ではスライドガラスと溶液の界面に励起光を臨界角よりも大きい角度で入射させることで、スライドガラスよ溶液の界面にエバネッセント場が形成され、試料側の厚さ数百ナノメートルの領域が照明される。従って、この厚みの範囲でのみ励起光が当たった試料からの蛍光が発生する。図12(b)に示すように入射角を臨界角に近づけるにつれて、境界面の光強度が入射光強度に対して増加することが知られている。臨界角ではその増強倍率は4倍である。シーケンス反応後の蛍光検出においても従来の落射照明法の代わりに全反射照明を用いることで境界面近傍から発せられる蛍光量を増大させることが可能となる。現状では直径1umのビーズを用いているが、高スループット化の要求に伴ってビーズの高密度化が要求され、ひいてはビーズの微小化が必要となる。特に全反射照明においては100nm以下の領域において増強効果が得られるため、100nm程度のビーズを用いることも有効である。この場合、落射照明と比較して4倍の蛍光増強効果が得られる。また、落射照明において2umのビーズを用いることも有効である。現在は1umのビーズを用いて蛍光信号を取得しているが、装置関数にマッチしたビーズの径は2umである。より具体的には1umのビーズを分解するためにCCDカメラの3ピクセルを使用した場合、周辺に像が滲む影響を考慮すると現実には1umのビーズにも5ピクセルを用いていることとなる。2umのビーズを用いた場合にはすでに十分ビーズは大きいため、1umビーズのような滲みは発生しない。従って1umのビーズも2umのビーズも結局解像するために5−6ピクセル程度を要している。従って像の大きさという観点からは1umと2umビーズの差は殆どない。一方1umビーズと2umビーズの表面積の大きさは4倍であるため、DNA断片が結合する量も4倍となり、取得可能な蛍光量の増大が見込める。また、図13に示すように、DNA断片が多数結合した直径500umのビーズ108をスライドガラス112に固定する。このビーズ108の内部は微小な空隙が多数存在しているため、遠心処理によりビーズ108に対して加圧すると扁平につぶれてしまい、円盤状のスポット113を形成する。円盤状のスポットの直径は1um、高さは0.1umとなる。この状態で全反射照明を行うと、ビーズ108から発せられる蛍光をエバネッセント場に含むことが可能となり、落射照明法と比較して4倍に近い蛍光増強が確認される。   Next, as a fifth embodiment, a fluorescence enhancement method using total reflection illumination will be described below with reference to FIG. As shown in FIG. 12A, in the normal epifluorescence method, excitation light enters the sample surface perpendicularly through the objective lens. On the other hand, in total reflection illumination, an evanescent field is formed at the interface between the slide glass and the solution by causing the excitation light to enter the interface between the slide glass and the solution at an angle larger than the critical angle. The area is illuminated. Therefore, fluorescence is generated from the sample irradiated with the excitation light only in this thickness range. As shown in FIG. 12B, it is known that the light intensity at the interface increases with respect to the incident light intensity as the incident angle approaches the critical angle. At the critical angle, the enhancement factor is four times. Even in the fluorescence detection after the sequence reaction, it is possible to increase the amount of fluorescence emitted from the vicinity of the boundary surface by using total reflection illumination instead of the conventional epi-illumination method. At present, beads having a diameter of 1 μm are used, but with the demand for higher throughput, higher density of beads is required, and as a result, bead miniaturization is required. In particular, since the enhancement effect is obtained in the region of 100 nm or less in total reflection illumination, it is effective to use beads of about 100 nm. In this case, a fluorescence enhancement effect four times that of epi-illumination can be obtained. It is also effective to use 2 um beads for epi-illumination. Currently, fluorescent signals are acquired using 1 um beads, but the diameter of the beads that match the instrument function is 2 um. More specifically, when 3 pixels of a CCD camera are used to disassemble a 1 um bead, in consideration of the effect of an image blurring in the periphery, 5 pixels are actually used for a 1 um bead. When 2 um beads are used, the beads are already large enough to prevent bleeding like 1 um beads. Therefore, it takes about 5-6 pixels to resolve both 1 um beads and 2 um beads. Therefore, there is almost no difference between 1 um and 2 um beads from the viewpoint of image size. On the other hand, since the surface area of 1 um beads and 2 um beads is four times larger, the amount of DNA fragments to be bound is also four times larger, and an increase in the amount of fluorescence that can be obtained is expected. In addition, as shown in FIG. 13, beads 108 having a diameter of 500 μm to which a large number of DNA fragments are bonded are fixed to a slide glass 112. Since there are many minute voids inside the beads 108, the beads 108 are flattened when pressed against the beads 108 by a centrifugal process, and a disk-shaped spot 113 is formed. The disk-shaped spot has a diameter of 1 μm and a height of 0.1 μm. When total reflection illumination is performed in this state, the fluorescence emitted from the beads 108 can be included in the evanescent field, and the fluorescence enhancement close to four times that of the epi-illumination method is confirmed.

第6の実施例として、ビーズが予め配列されたスライドガラスがパッケージングされている場合について図14を用いて以下に説明する。実施例1で説明したように、従来は外部で調整したビーズを計測直前にスライドガラスへ流し込むことにより固定していた。しかし、計測者にとってより望ましいのは予めビーズ1111がスライドガラス1112表面に固定されている状態である。これにより計測者に必要な作業は調整したサンプルをフローセル内に注入することのみとなり、外部でビーズを用いて化学処理などを行う手間を省略できる。また、ビーズを流路に流さないため、流路の詰まりを回避することが可能となる。将来は更なるビーズの高密度化が進むことが予想されるため、ビーズ1111を格子状に配置したスライドガラス1112をパッケージングすることが望ましい。本実施例についてはビーズ1111がスライドガラス1112表面に格子状に配置されている以外は実施例1と同じである。   As a sixth embodiment, a case where a slide glass in which beads are arranged in advance is packaged will be described below with reference to FIG. As described in Example 1, conventionally, externally adjusted beads were fixed by being poured into a slide glass immediately before measurement. However, it is more desirable for the measurer that the beads 1111 are fixed to the surface of the slide glass 1112 in advance. As a result, the operator only needs to inject the adjusted sample into the flow cell, and the work of performing chemical treatment using beads on the outside can be omitted. Further, since the beads are not flowed into the flow path, it becomes possible to avoid clogging of the flow path. In the future, it is expected that the density of the beads will be further increased. Therefore, it is desirable to package the slide glass 1112 in which the beads 1111 are arranged in a lattice shape. The present embodiment is the same as the first embodiment except that beads 1111 are arranged in a lattice pattern on the surface of the slide glass 1112.

本発明の課題は、次のように表現できる。次世代シーケンシング技術スループット向上において1塩基伸長反応に代表される生化学反応が律速となっている。ポリメラーゼと用いる伸長反応及びリガーゼを用いるライゲーション反応のいずれも最小ユニットの反応が完了するまでに90分程度のインキュベーションを要する。このインキュベーション時間をデッドタイムとしないために、AB社やHelicos社はは2つのフローセルを装着して、1つのフローセルの反応時間中にもう1つのフローセルを用いて蛍光画像の取得を行うシステムを採用している。しかしながら、上述の方式でも依然最小ユニットの反応に要する時間が律速なるために、スループットの更なる向上が困難であった。   The subject of the present invention can be expressed as follows. In order to improve the throughput of next-generation sequencing technology, biochemical reactions represented by single-base extension reactions are rate-limiting. In both the extension reaction using polymerase and the ligation reaction using ligase, incubation of about 90 minutes is required until the reaction of the minimum unit is completed. In order not to set this incubation time as dead time, AB and Helicos employ two flow cells and adopt a system that uses one flow cell to acquire fluorescence images during the reaction time of one flow cell. is doing. However, since the time required for the reaction of the smallest unit is still rate-determined even in the above-described method, it is difficult to further improve the throughput.

また、この課題を解決するための手段は次のように表現できる。本発明では低価格な高輝度LED光源を使用して、蛍光励起強度の10倍以上のパワー密度を達成する。これにより検出における励起光照射時間を1/10以下とすることで検出に要する時間を短縮する。これにより従来律速となっていた最小ユニットの反応時間内に3枚以上の複数の反応基板を並列に処理することにより、スループットの向上を図ることが可能となる。また、LEDを用いることでシャッタを用いることなく、電流制御により励起光の照射を制御できる。従って、シャッタレスのシステムの構築が可能となり、低コスト化が図れる。また、スライドガラスをパッケージングすることにより、スライドガラスのハンドリングを容易なものとする。更にパッケージングしたスライドガラス中に蛍光色素の発光の基点となるビーズを予め配置することにより、更にユーザの負担を軽減することが可能となる。   The means for solving this problem can be expressed as follows. In the present invention, a low-cost high-intensity LED light source is used to achieve a power density of 10 times or more the fluorescence excitation intensity. Thereby, the time required for detection is shortened by setting the excitation light irradiation time in detection to 1/10 or less. As a result, it is possible to improve throughput by processing three or more reaction substrates in parallel within the reaction time of the minimum unit, which has conventionally been rate-limiting. Further, by using the LED, irradiation of excitation light can be controlled by current control without using a shutter. Therefore, it is possible to construct a shutterless system, and the cost can be reduced. Further, the slide glass is packaged to facilitate handling of the slide glass. Furthermore, it is possible to further reduce the burden on the user by preliminarily placing beads serving as a base point of light emission of the fluorescent dye in the packaged slide glass.

また、本発明の効果は次のように表現できる。本発明の蛍光測定装置は低価格なLED光源を使用して、検出に要する時間を短縮する。これにより最小ユニットの反応時間内のスキャン枚数を3枚以上に並列化する。本発明の効果として低コストかつハイスループットなDNAシーケンサのシステムを実現する。また、LEDの採用によるシャッタレスのシステムを構築し、装置の低コスト化を実現する。更にスライドガラスのパッケージ化を図ることにより、ユーザの操作性を向上させる効果をもたらす。   The effect of the present invention can be expressed as follows. The fluorescence measuring apparatus of the present invention uses a low-cost LED light source to shorten the time required for detection. As a result, the number of scans within the minimum unit reaction time is parallelized to three or more. As an effect of the present invention, a low-cost and high-throughput DNA sequencer system is realized. In addition, a shutterless system using LEDs is constructed to reduce the cost of the device. Further, the packaging of the slide glass brings about an effect of improving the operability for the user.

101,102,211,212 セプタ
103 カバー
104 スペーサ
107,112,125,524,704,705,706,707,804,805,904,910, スライドガラス
108,111 ビーズ
109 プローブオリゴ
113 円盤状のスポット
121,401,402,410,411,412,413 LED
122,418,419,420,421 非球面レンズ
123,521 バンドパスフィルタ
124,509,703,803,903 対物レンズ
126 蛍光色素
127,403,404,414,415,416,417 ヒートシンク
128 ファン
129 サーミスタ
130 フォトダイオード
206 DNA断片
213 フローセル
214 FAM−dCTP
215 Cy3−dATP
216 Texas Red−dCTP
217 Cy5−dCTP
218 計測領域
408,423,424,425,522 ダイクロイックミラー
409,426 ミラー
501 LED光源
502,701,801,901 回転ターレット
504,505,506,507 キューブ
508,702,802,902 対物レンズオートフォーカス用モータ
516 CCDカメラ
517 集光レンズ
518 駆動回路
519 電源
520 PC
523 エミッションフィルタ
525,526,907,908,912,913 送液用チューブ
905 環状ステージ
906 温調装置
101, 102, 211, 212 Septa 103 Cover 104 Spacers 107, 112, 125, 524, 704, 705, 706, 707, 804, 805, 904, 910, slide glass 108, 111 beads 109 probe oligo 113 disc-shaped spot 121, 401, 402, 410, 411, 412, 413 LED
122, 418, 419, 420, 421 Aspherical lens 123, 521 Bandpass filter 124, 509, 703, 803, 903 Objective lens 126 Fluorescent dye 127, 403, 404, 414, 415, 416, 417 Heat sink 128 Fan 129 Thermistor 130 Photodiode 206 DNA fragment 213 Flow cell 214 FAM-dCTP
215 Cy3-dATP
216 Texas Red-dCTP
217 Cy5-dCTP
218 Measurement area 408, 423, 424, 425, 522 Dichroic mirror 409, 426 Mirror 501 LED light source 502, 701, 801, 901 Rotating turret 504, 505, 506, 507 Cube 508, 702, 802, 902 For objective lens autofocus Motor 516 CCD camera 517 Condensing lens 518 Drive circuit 519 Power supply 520 PC
523 Emission filter 525, 526, 907, 908, 912, 913 Liquid feeding tube 905 Annular stage 906 Temperature control device

Claims (22)

水溶液を注入する穴を少なくとも2個以上保持する基板と、注入される水溶液中に含まれる微粒子と強く結合する表面処理を施されている光透過性を持つ基板と、2つの基板の間隔を一定に保つためのスペーサと、前記スペーサを2つの基板で挟んで張り合わせることにより形成されることを特徴とする反応容器。   The distance between the two substrates is constant, the substrate holding at least two holes for injecting the aqueous solution, the light-transmitting substrate that has been subjected to a surface treatment that strongly binds to the fine particles contained in the injected aqueous solution, and And a spacer for holding the substrate and the spacer sandwiched between two substrates and bonded together. 請求項1記載の反応容器において、前記微粒子の表面に増幅された複数の核酸断片が結合していること特徴とした反応容器。   2. The reaction container according to claim 1, wherein a plurality of amplified nucleic acid fragments are bound to the surface of the fine particles. 請求項2記載の反応容器において、前記核酸断片の配列解析を前記基板上に結合した微粒子からの4色以上の蛍光信号に基づいて前記核酸断片の配列解析すること特徴とした反応容器。   3. The reaction container according to claim 2, wherein the sequence analysis of the nucleic acid fragments is performed by analyzing the sequence of the nucleic acid fragments based on fluorescence signals of four or more colors from the fine particles bound on the substrate. 請求項3記載の反応容器において、前記スペーサの厚みが350±50umであることを特徴とした反応容器。   4. The reaction container according to claim 3, wherein the spacer has a thickness of 350 ± 50 μm. 請求項4記載の反応容器において、前記光透過性を持つ基板の大きさが25×75mmであることを特徴とした反応容器。   5. The reaction container according to claim 4, wherein a size of the light-transmitting substrate is 25 × 75 mm. 請求項5記載の反応容器において、前記微粒子の直径が1umであることを特徴とした反応容器。   6. The reaction container according to claim 5, wherein the fine particles have a diameter of 1 μm. 水溶液を注入する穴を少なくとも2個以上保持する基板と、複数の微粒子を結合させた光透過性を持つ基板と、2つの基板の間隔を一定に保つためのスペーサと、前記スペーサを2つの基板で挟んで張り合わせることにより形成されることを特徴とする反応容器。   A substrate for holding at least two holes for injecting an aqueous solution, a substrate having a light transmission property in which a plurality of fine particles are combined, a spacer for keeping the distance between the two substrates constant, and the spacers as two substrates A reaction vessel formed by sandwiching and bonding together. 請求項7記載の反応容器において、前記微粒子がランダムに前記光透過性を持つ基板上に結合していることを特徴とした反応容器。   8. The reaction container according to claim 7, wherein the fine particles are randomly bonded on the light-transmitting substrate. 請求項7記載の反応容器において、前記微粒子が格子状に前記光透過性を持つ基板上に結合していることを特徴とした反応容器。   8. The reaction container according to claim 7, wherein the fine particles are bonded to the light-transmitting substrate in a lattice shape. 請求項9記載の反応容器において、前記微粒子の大きさが1umであり、かつ格子間が3umであることを特徴とした反応容器。   10. The reaction container according to claim 9, wherein the fine particles have a size of 1 um and a lattice spacing of 3 um. 複数の反応容器をn個保持し、前記反応容器1個の最小ユニットの反応が完了する間に前記複数の反応容器n−1個の計測を自動で完了させ、順次反応を自動で進行させていくことで、計測のスループットをn倍に向上させる並列処理装置。   Hold n reaction containers, and complete the measurement of the reaction containers n-1 automatically while the reaction of the minimum unit of one reaction container is completed, and sequentially proceed the reaction automatically A parallel processing device that improves measurement throughput by a factor of n. 請求項11記載の装置において、前記反応が請求項1或いは7の容器内で進行することを特徴とする基板表面上におけるシーケンス反応であり、かつ前記シーケンスの最小ユニットの反応に要する時間が90分以上であり、かつシーケンス反応に用いる蛍光色素の数が4種以上であることを特徴とするシーケンサ。   12. The apparatus according to claim 11, wherein the reaction proceeds in the container according to claim 1 or 7 and is a sequence reaction on a substrate surface, and a time required for a reaction of a minimum unit of the sequence is 90 minutes. A sequencer characterized in that the number of fluorescent dyes used in the sequence reaction is four or more. 請求項12記載の装置において、前記蛍光画像測定に用いる光源が2種類以上のLEDであり、かつ蛍光検出方法が対物レンズを介した落射蛍光検出法であり、前記蛍光色素に最適化されたバンドパスフィルタ,ダイクロイックミラー,エミッションフィルタを装着したキューブを回転ターレットにより回転制御し、かつオートフォーカスを行い、蛍光検出に用いるセンサが2次元CCDカメラであることを特徴とするシーケンサ。   The apparatus according to claim 12, wherein the light source used for the fluorescence image measurement is two or more types of LEDs, and the fluorescence detection method is an epifluorescence detection method through an objective lens, and is a band optimized for the fluorescent dye. A sequencer characterized in that a cube equipped with a pass filter, a dichroic mirror, and an emission filter is rotationally controlled by a rotating turret, performs autofocus, and a sensor used for fluorescence detection is a two-dimensional CCD camera. 請求項13記載の装置において、前記LED光源のON−OFFを回路上から制御することにより蛍光励起のための光の遮断を不要とし、シャッタレスであることを特徴とするシーケンサ。   14. The sequencer according to claim 13, wherein the LED light source is turned on and off from a circuit so that light for fluorescence excitation is not required to be blocked and the sequencer is shutterless. 請求項14記載の装置において、前記LED光源の出力が全て15mW/mm2以上であることを特徴とするシーケンサ。 The sequencer according to claim 14, wherein the outputs of the LED light sources are all 15 mW / mm 2 or more. 請求項15記載の装置において、2種類のLED光源の一つがRoyal Blue色、もう一つがWarm-White色のLEDであり、かつダイクロイックミラーで前記2種類のLED光源から発する光を混合し、光路を同一にして照射することを特徴とするシーケンサ。   16. The apparatus according to claim 15, wherein one of the two types of LED light sources is a Royal Blue color LED and the other is a Warm-White color LED, and the light emitted from the two types of LED light sources is mixed by a dichroic mirror, A sequencer characterized by irradiating with the same. 請求項16記載の装置において、前記LEDから発する光を高い開口角を持つ非球面レンズにより集光し、対物レンズの後焦点面にLEDの像を結像させることにより、前記反応容器の基板表面で光源の照明ムラを除去した均一な照明であるケーラー照明を行うことを特徴とするシーケンサ。   17. The apparatus according to claim 16, wherein the light emitted from the LED is condensed by an aspheric lens having a high aperture angle, and an image of the LED is formed on the rear focal plane of the objective lens, thereby forming a substrate surface of the reaction vessel. A sequencer characterized by performing Koehler illumination, which is uniform illumination with the illumination unevenness of the light source removed. 請求項17記載の装置において、前記反応容器をXYステージにより前記対物レンズの計測視野の大きさだけ逐次移動していくことにより前記反応容器の全表面でスキャンすることを特徴とするシーケンサ。   18. The sequencer according to claim 17, wherein the reaction container is scanned over the entire surface of the reaction container by sequentially moving the reaction container by the size of the measurement field of view of the objective lens by an XY stage. 請求項18記載の装置において、前記反応容器を移動させるXYステージが反応容器を環状回転させるθステージを含み、反応容器の溶液交換および温度調節を順次回転に伴い処理していくことを特徴とするシーケンサ。   19. The apparatus according to claim 18, wherein the XY stage for moving the reaction vessel includes a θ stage for rotating the reaction vessel in an annular manner, and sequentially performing solution exchange and temperature adjustment of the reaction vessel with rotation. Sequencer. 請求項17記載の装置において、対物レンズの後焦点面の外周付近にLEDを結像させることにより前記反応容器の基板表面で臨界角近傍における全反射照明により蛍光を4倍増強することを特徴とするシーケンサ。   18. The apparatus according to claim 17, wherein the LED is imaged in the vicinity of the outer periphery of the rear focal plane of the objective lens, whereby fluorescence is enhanced four times by total reflection illumination near the critical angle on the substrate surface of the reaction vessel. Sequencer to do. 請求項20記載の装置において、100nmのビーズを用いることによりビーズに結合した蛍光色素を全て蛍光増強場内に配置させることにより蛍光を4倍増強することを特徴とするシーケンサ。   21. The sequencer according to claim 20, wherein fluorescence is enhanced four times by using 100 nm beads to place all fluorescent dyes bound to the beads in a fluorescence enhancement field. 請求項5記載の反応容器において、前記微粒子の直径が2umであり、1umの微粒子と比較してDNA断片の結合サイトが4倍に増加したことによる蛍光増強効果を特徴とする反応容器。   6. The reaction container according to claim 5, wherein the fine particle has a diameter of 2 μm, and has a fluorescence enhancement effect due to a 4-fold increase in DNA fragment binding sites compared to the 1 μm fine particle.
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