JP2013185963A - 蛍光検出装置および生体化学分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】測定対象の位置ずれに影響されることなく測定精度を確保しつつ測定時間を短縮できる蛍光検出装置および生体化学分析装置を提供する。
【解決手段】照明光を集束する照明部と、照明部が集束した全照明光を蛍光標識した試料に投射する照明用導波路と、試料から発せられる蛍光を導光する蛍光用導波路とを備え、、照明用導波路から出射する全照明光を遺伝子試料に投射することにより、測定対象の位置ずれに影響されることなく照明光を検体へむらなく投射することが出来、試料に対する位置調整の時間をなくし測定時間を短縮することが出来る。
【選択図】図６

Description

本発明は、血液等の各種検体を処理チップに封入し、様々な試薬と混合して検体中の対象物と反応させることにより生体物質を検出する蛍光検出装置に関する。

より詳細には、測定対象の位置ずれに影響されることなく、照明光を検体へむらなく照明することができ、且つ、生体物質の反応を高分解能に解析する技術に関する。

蛍光標識をした試料に光源からの照明光を当て、試料から発せられる蛍光を検出する装置として蛍光検出装置が知られている。ウェルは、試料を格納した複数のチャンバを備えている。それぞれの試料はチャンバ内で位置が異なるため、試料毎に試料を格納したチャンバと導波路の端部との距離を制御機構により調整し、蛍光の検出レベルを一定以上に維持している（例えば、特許文献１）。

特開平１１−２７１２２７号公報

しかしながら、前記従来の構成は、試料の測定に時間がかかるという課題を有していた。すなわち、測定試料をセットする度に制御機構を用いた調整ステップを行って試料の検出レベルを確保するまでの余分な処理時間が必要となる。

そこで、本発明は、このような試料に対する調整時間をなくし測定時間を短縮することを目的とする。

従来の課題を解決するために、本発明の蛍光検出装置は、照明光を集束する照明部と、照明部が集束した全照明光を蛍光標識した試料に投射する照明用導波路と、試料から発せられる蛍光を導光する蛍光用導波路と、を備えることを特徴としたものである。

本発明において、蛍光用導波路の入射ＮＡは前記照明用導波の出射ＮＡよりも大きい構成であることが好ましい。

また本発明は、照明用導波路から投射する光の拡がる外郭と光軸中心とが成す角度θが、遺伝子試料の幅をＷ、遺伝子試料の深さをＤ、試料と照明用導波路との距離をＬとすると、（数１）の関係式で表されることが好ましい。

ｔａｎθ≦Ｗ／（２（Ｌ＋Ｄ））・・・（数１）
また本発明の蛍光用導波路は、前記照明導波路の外周に光軸方向を平行にして複数備えられていることが好ましい。

本発明の蛍光検出装置は、試料を格納できる測定用チップを保持した回転トレイを備えて、生体化学分析装置としてもよい。

この場合、測定用チップは、試料を格納した複数の測定チャンバを備え、回転トレイを
回転させることで試料を逐次測定することが好ましい。

本発明によれば、蛍光標識された試料に対する調整時間をなくし測定時間を短縮することができる。

すなわち、測定試料をセットする度に制御機構を用いた調整ステップを行って試料の検出レベルを確保するまでの余分な処理時間を必要とすることがない。

本発明の実施の形態における生体化学分析装置の概観図 本発明の実施の形態における生体化学分析装置の内部機構を示した模式図 本発明の実施の形態における処理チップを示す平面模式図 本発明の実施の形態における処理チップを保持した回転トレイの平面模式図 本発明の実施の形態における複数のファイバを束ねた導波路の断面模式図 本発明の実施の形態における複数のファイバを束ねた導波路と測定チャンバとの関係を示す模式図 本発明の実施の形態における複数のファイバを束ねた導波路と測定チャンバにおいて照明光の広がりが大きい場合を示す模式図 本発明の実施の形態における複数のファイバを束ねた導波路と測定チャンバにおいて照明光の広がりが小さい場合を示す模式図

以下に、本発明の蛍光検出装置の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態における生体化学分析装置１０１の概観図を示す。この生体化学分析装置１０１は、病院や診療所等で生体化学を分析するための装置である。

処理チップ１０２に血液等の検体を点着した後、生体化学分析装置１０１に設けられた処理チップ投入口１０３から処理チップ１０２をセットし、生体化学分析を行う。生体化学分析装置１０１の前面には測定結果を表示できるタッチパネル１０４が設けられている。ユーザはタッチパネル１０４を用いて測定開始操作および測定中止操作を行う。

図２は、生体化学分析装置１０１の内部構成を示した模式図である。生体化学分析装置１０１は、主に回転機構２２４、温調部２０４および光学部２０６とから構成される。

回転機構２２４は、円板形状の回転トレイ２０２およびモータ２０３から構成される。回転トレイ２０２は、その中心がモータ２０３のシャフト２２６と接続されている。また、後述するように、処理チップ１０２は回転トレイ２０２の裏面に保持されている。

温調部２０４は、内壁に図示しない断熱材が設けられ、回転機構２２４の回転トレイ２０２を覆う筐体２２５と、筐体２２５の内部を加温し、測定チャンバ２０１内に格納された混合液体試薬（請求項の「試料」に相当する）を加温するヒータ２０５とを備えている。また、温調部２０４は、温度を測定する温度センサ２２３を備えている。これらによって温部２０４は、筐体２２５の内部に設置されたヒータ２０５を制御し、筐体２２５内部の温度を一定に制御する。

光学部２０６は、温調部２０４により温度制御された混合液体試薬の光学検出を行う。照明光を照明する照明用導波路２１４（ファイバ）と蛍光を取得する蛍光用導波路２１５（ファイバ）が処理チップ１０２の表面１０５側まで延設されており、測定チャンバ２０１に格納された混合液体試薬へ照明用導波路２１４から照明光を照明する。そしてＦＡＭ
やＦＩＴＣなどの蛍光標識が施されている混合液体試薬からの蛍光を蛍光用導波路２１５（ファイバ）で受光することで検体の光学検出を行う。この光学部２０６については詳細に後で説明する。

続いて、図３を用いて処理チップ１０２について詳細に説明する。処理チップ１０２は、厚さが６ｍｍで、その１辺が湾曲した略長方形となっている。処理チップ１０２の一側面（流路形成面）には、湾曲した一辺に沿うように、深さ２ｍｍ、短手幅３ｍｍ、長手幅５ｍｍの長穴形状のリザーバとなる溝が複数個、本実施例では１２個の溝が形成されている。これらの上面に０．３ｍｍのＰＭＭＡ製の粘着フィルムを接着し測定チャンバ２０１を形成している。

また、処理チップ１０２には、検体を点着する検体注入口２２７からの検体を一時的に格納するための検体注入チャンバ２２８が形成されている。検体注入チャンバ２２８は、流路２２９により測定チャンバ２０１と接続されている。そのため、処理チップ１０２を回転させた際に発生する遠心力により、検体注入チャンバ２２８に点着された検体を測定チャンバ２０１に送液することが出来る。このような処理チップ１０２は、ＡＢＳ樹脂や、ポリプロピレン等の樹脂から形成されている。

ここで、本実施例の測定チャンバ２０１には、反応に必要な試薬があらかじめ封入されており、検体および試薬を上述の遠心力によって混合させることで混合液体試薬となる。

図４は、処理チップ１０２を保持した回転トレイ２０２の平面模式図を示す。回転トレイ２０２は、その中心軸４０１を基準とし２枚の処理チップ１０２が対角に配置されている。処理チップ１０２は、各測定チャンバ２０１が、中心軸４０１から同じ距離となるように配置されている。また、各測定チャンバ２０１の長手方向は、中心軸４０１に向かうように構成されている。別の言い方をすれば、測定チャンバ２０１は、中心軸４０１に対し放射状に配置されている。さらに、それぞれの測定チャンバ２０１がファイバからの照明光が照明される軌道上に位置するように、回転トレイ２０２のシャフト２２６から等距離に配置されている。

そのため、回転トレイ２０２の回転により逐次、照明光が測定チャンバ２０１へ照明され、混合液体試薬からの蛍光が検出される。すなわち、照明光は各測定チャンバ２０１の短手方向を横断するかたちで逐次測定していく。これにより各測定チャンバ２０１に格納された混合液体試薬を解析することが出来る。

次に、図２を用い、光学部２０６について詳細に説明する。光学部２０６は、照明部２０７、複数のファイバを束ねた導波路２０８および検出部２０９などから構成される。

照明部２０７は、光源２１０、第１のレンズ２１１、照明用フィルタ２１２および第２のレンズ２１３から構成される。

光源２１０としては、例えば、波長４７０ｎｍのＬＥＤを用いる。光源２１０の光は、第１のレンズ２１１で平行集束され、照明用フィルタ２１２を通過する。照明用フィルタ２１２は、蛍光標識の照明波長を透過し、蛍光波長領域をカットする性質を有している。例えば、波長４３０ｎｍから４９０ｎｍまでの光を透過するバンドパスフィルタを用いる。また、蛍光標識には、Ｃａｒｂｏｘｙｆｌｕｏｒｅｓｃｅｉｎｓ（ＦＡＭ）、Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｉｎ ｉｓｏｔｈｉｏｃｙａｎａｔｅ（ＦＩＴＣ）およびＴｈｉａｚｏｌｅ Ｏｒａｎｇｅ（ＥｘｃｉｔｏｎＤｙｅ）などを用いる。

照明用フィルタ２１２を透過した光は、第２のレンズ２１３を通り、複数のファイバを
束ねた導波路２０８へ集光される。

導波路２０８は、照明光を伝播する照明用導波路２１４および混合試薬から発せられた蛍光を伝播する蛍光用導波路２１５とから構成される。照明用導波路２１４の照明光入射端２３０は照明部２０７と接続されており、蛍光用導波路２１５の蛍光出射端２３１は検出部２０９と接続されている。

照明部２０７の第２のレンズ２１３を通り、照明用導波路２１４を伝播した光は、照明用導波路２１４の照明光出射端２３２から出射し、測定チャンバ２０１に格納された混合液体試薬に照明される。照明光を照明された混合液体試薬から発せられる蛍光を、蛍光用導波路２１５の蛍光入射端２３３から受光する。

その蛍光は蛍光用導波路２１５を伝播し、蛍光出射端２３１から出射した光は検出部２０９で検出される。

次に検出部２０９について詳細に説明する。検出部２０９は、第３のレンズ２１６、蛍光用フィルタ２１７、第４のレンズ２１８および検出器２１９とから構成される。

蛍光出射端２３１から出射した光は、第３のレンズ２１６で平行集束され、蛍光用フィルタ２１７を通過する。蛍光用フィルタ２１７は、蛍光標識の照明波長をカットし、蛍光波長領域を透過する性質を有している。例えば、波長５１０ｎｍから５６０ｎｍまでの光を透過するバンドパスフィルタを用いる。蛍光用フィルタ２１７を透過した光は、第４のレンズ２１８で集束され、検出器２１９で検出される。

さらに、検出器２１９は、アンプ回路２２０、アナログデータ処理部２２１、データ処理部２２２に接続されている。従って、検出器２１９から出力された信号はアンプ回路２２０で増幅され、その増幅された信号はアナログデータ処理部２２２でデジタル値に変換され、データ処理部２２２で、データ収集および解析を行う。

次に複数のファイバを束ねた導波路２０８の構成について詳細に説明する。導波路２０８の一端側は、照明用導波路２１４および蛍光用導波路２１５とから構成され、光軸方向に対して平行に、かつ、一本に束ねられている。これに対し導波路２０８の他端側は、照明用導波路２１４および蛍光用導波路２１５の２分岐になっている。

図５に、照明用導波路２１４および蛍光用導波路２１５が束ねられた一端側の導波路２０８の断面模式図を示す。図に示すように、導波路２０８は、中央に１本の照明用導波路２１４、その周囲に６本の蛍光用導波路２１５を囲うように配置し、さらにその外周に１２本の蛍光用導波路２１５を囲う構成となっている。

以上のような構成において、照明部２０７から照明された光は、照明用導波路２１４を通り、その照明光出射端２３２から測定チャンバ２０１に格納された混合液体試薬に照明される。そして、混合液体試薬から発せられる蛍光は、照明用導波路２１４の周囲に配置された蛍光用導波路２１５を通り、検出部２０９において受光される。

図６を用いて、導波路２０８の効果について説明する。図６は、測定チャンバ２０１と導波路２０８の関係を示す模式図である。照明用導波路２１４から照明される光は、測定チャンバ２０１に格納された混合液体試薬に照明される。

測定チャンバ２０１の短手幅をＷ、測定チャンバ２０１の深さをＤ、測定チャンバ２０１と導波路２０８の端面との距離をＬとすると、照明用導波路２１４から投射する光の拡
がる外郭と光軸中心とが成す角度θは（式１）で表される。

ｔａｎθ≦Ｗ／（２（Ｌ＋Ｄ））・・・（式１）
（式１）の関係が満足するとき、照明用導波路２１４から照明する全光が、測定チャンバ２０１に照明される。これにより、照明光を混合液体試薬へむらなく照明することができ、すなわち、混合液体試薬の反応を高分解能に解析することができる。

本実施の形態においては、測定チャンバ２０１の深さは２ｍｍ、短手幅は３ｍｍであり、複数のファイバを束ねた導波路２０８と測定チャンバ２０１との距離は２ｍｍである。そのため、照明用導波路２１４から照明する光のＮＡは、例えば０．２に設定した。ただし、本実施の形態において、照明用導波路２１４から照明する光のＮＡは０．３５１以内であれば良い。また、蛍光用導波路２１５のＮＡは、照明用導波路２１４のＮＡよりも大きい値とする。

次に図７および図８を用いて、処理チップ１０２の位置にずれが生じた場合における測定への影響について説明する。このような位置ずれは、処理チップ１０２が回転トレイ２０２により保持されているために発生する。より詳細には、回転機構２２４の振動などにより、測定の毎に処理チップ１０２および導波路２０８の処理チップ１０２側の端面との距離のずれ、すなわち処理チップ１０２がデフォーカス方向に位置ずれが生じる可能性がある。

図７は照明用導波路２１４から照明する光の拡がり角θが（式１）を満足しない場合、図８は照明用導波路２１４から照明する光の拡がり角θが（式１）を満足する場合を示す。これらを比較し、測定への影響について述べる。

図７に示す照明用導波路２１４から照明する光の拡がり角θが（式１）を満足しない場合とは、照明用導波路２１４から照明する全光が測定チャンバ２０１に照明出来ない。すなわち、測定チャンバ２０１に全光が照明されない場合である。その場合において、処理チップ１０２（測定チャンバ２０１）および導波路２０８の端面との距離が遠くなると、混合液体試薬に照明される光量は小さくなってしまう。これにより、処理チップ１０２に格納された混合液体試薬が発する蛍光量が小さくなり、検出量が小さくなる。従って、このような処理チップ１０２に位置ずれが生じることにより、混合液体試薬の反応を高分解能に測定することが出来なくなる。

一方、図８に示す照明用導波路２１４から照明する光の拡がり角θが（式１）を満足する場合とは、すなわち、照明用導波路２１４から照明する全光が測定チャンバ２０１に照明出来る場合である。その場合、処理チップ１０２および導波路２０８の測定チップ１０２側の端面との距離が遠くなっても、混合液体試薬に照明される光量は変わらない。すなわち、混合液体試薬が発する蛍光量も同量であり、混合液体試薬の反応を高分解能に測定することが出来る。

このように、照明用導波路２１４から照明する全光が測定チャンバ２０１に照明することにより、混合液体試薬に照明する光量を一定にすることができ、混合液体試薬が発する蛍光量も一定にできることから、混合液体試薬の反応を高分解能に検出することが出来る。

また、測定チャンバ２０１の長手幅５ｍｍに対して、照明ビームサイズは３ｍｍ以下であり、測定チャンバ２０１の長手幅よりも小さい。したがって、処理チップ１０２と照明用導波路２１４の位置とが、長手幅方向に±１ｍｍずれたとしても、測定チャンバ２０１へ確実に照明光を照明することが出来る。

以上のように、本発明の実施の形態において、測定チャンバ２０１に格納された混合液体試薬を蛍光検出する際に、照明用導波路２１４から照明する光の拡がり角θを制限することにより、混合液体試薬の反応を高感度に検出することが可能である。また、処理チップ１０２の位置ずれに影響されることなく、照明光を確実に照明することが可能である。

本発明の実施の形態に示す光源の種類、蛍光標識の種類、フィルタの波長特性、ファイバのサイズおよび本数は、本発明を説明するための一例であり、本発明の技術的範囲はこれに限るものではない。

本発明にかかる蛍光検出装置は、照明用導波路から投射される全照明光を遺伝子混合液体試薬に投射することにより、測定精度を確保しつつ簡単な構成で蛍光検出することが出来る点で有用である。

１０１ 生体化学分析装置
１０２ 処理チップ
１０３ 処理チップ投入口
１０４ タッチパネル
１０５ 処理チップの表面
２０１ 測定チャンバ
２０２ 回転トレイ
２０３ モータ
２０４ 温調部
２０５ ヒータ
２０６ 光学部
２０７ 照明部
２０８ 導波路
２０９ 検出部
２１０ 光源
２１１ 第１のレンズ
２１２ 照明用フィルタ
２１３ 第２のレンズ
２１４ 照明用導波路
２１５ 蛍光用導波路
２１６ 第３のレンズ
２１７ 蛍光用フィルタ
２１８ 第４のレンズ
２１９ 検出器
２２０ アンプ回路
２２１ アナログデータ処理部
２２２ データ処理部
２２４ 回転機構
２２５ 筐体
２２６ シャフト
２２７ 検体注入口
２２８ 検体注入チャンバ
２２９ 流路
２３０ 照明光入射端
２３１ 蛍光出射端
２３２ 照明光出射端
２３３ 蛍光入射端
４０１ 中心軸

Claims (7)

1. 照明光を集束する照明部と、
   前記照明部が集束した全照明光を蛍光標識した試料に投射する照明用導波路と、
   前記試料から発せられる蛍光を導光する蛍光用導波路と、を備える
   ことを特徴とする蛍光検出装置。
2. 前記蛍光用導波路の入射ＮＡが前記照明用導波の出射ＮＡよりも大きい構成である請求項２に記載の蛍光検出装置。
3. 前記照明用導波路から投射する光の拡がる外郭と光軸中心とが成す角度θが、前記遺伝子試料の幅をＷ、前記遺伝子試料の深さをＤ、前記試料と前記照明用導波路との距離をＬとすると、（数１）の関係式で表される請求項２に記載の蛍光検出装置。
   ｔａｎθ≦Ｗ／（２（Ｌ＋Ｄ））・・・（数１）
4. 前記蛍光用導波路は、前記照明導波路の外周に光軸方向を平行にして複数備えられていることを特徴とする請求項１に記載の蛍光検出装置。
5. 前記照明部において、照明を発する光源にレーザーダイオードを用いる請求項１に記載の蛍光検出装置。
6. 請求項１または３に記載の蛍光検出装置と、
   前記試料を格納できる測定用チップを保持した回転トレイと、を備えた生体化学分析装置。
7. 前記測定用チップは、前記試料を格納した複数の測定チャンバを備え、
   前記回転トレイを回転させることで前記試料を逐次測定することを特徴とする請求項６に記載の生体化学分析装置。

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