JP2015049179A - キャピラリアレイ電気泳動装置および蛍光検出装置ならびに蛍光信号強度取得方法 - Google Patents

Abstract

【課題】正確かつ可及的速やかに蛍光信号強度を検出する技術を提供する。
【解決手段】蛍光信号４０５が照射されることで信号電荷が発生する複数の受光面を有し、受光面に発生した複数の信号電荷に基づき蛍光信号強度を取得する蛍光検出装置４００であって、蛍光検出装置４００は、複数の信号電荷を一括で変換することで蛍光信号強度を取得するハードウェアビニングと、信号電荷を一つずつ蛍光信号強度へ変換し、変換された蛍光信号強度を加算することで蛍光信号強度を取得するソフトウェアビニングとの、いずれかを実行することで前記蛍光信号強度を取得する。
【選択図】図２

Description

本発明は、キャピラリアレイ電気泳動装置および蛍光検出装置ならびに蛍光信号強度取得方法に関する。

ＤＮＡ（Ｄｅｏｘｙｒｉｂｏｎｕｃｌｅｉｃ ａｃｉｄ）に蛍光標識を付加したサンプルに励起光を照射し、蛍光標識が発する蛍光信号に基づき、ＤＮＡの塩基配列を解析するキャピラリアレイ電気泳動装置が知られている。

ＤＮＡの塩基配列を解析するには、まず、生物からＤＮＡを抽出する。そして、抽出したＤＮＡを断片化し、断片化したＤＮＡを増幅させる。次に、塩基種に応じた蛍光標識（この、蛍光標識は、ＤＮＡ末端の塩基種に応じた波長の蛍光信号を発する）をＤＮＡに付加する。そして、蛍光検出装置は、サンプルに対して励起光を照射する。蛍光標識が発する蛍光信号の波長は、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｅｖｉｃｅ）イメージセンサ（以下、ＣＣＤという）やＣＭＯＳイメージセンサなどのイメージセンサで検出する。そして、蛍光検出装置は、検出した波長に基づき、ＤＮＡの塩基配列の解析を行う。

キャピラリアレイ電気泳動装置では、サンプルの濃度により蛍光信号にばらつきが生じる。そのため、微小な蛍光信号を検出するために、イメージセンサの検出感度を向上させることが重要となる一方で、強い蛍光信号も検出できるように、ダイナミックレンジを拡大することが重要となる。

イメージセンサの検出感度を向上させる手段としては、イメージセンサの複数の受光面（画素に対応）を擬似的に結合することで１画素として扱うことで、１画素あたりの受光面積を大きくするビニング機能が知られている。そして、ビニング機能としては、ハードウェアビニングとソフトウェアビニングとが知られている。

ハードウェアビニングでは、受光面からサミングゲートに転送された複数画素分の信号電荷を一括で電圧へと変換する。そして、変換された電圧に基づき蛍光信号の強度（以下、蛍光信号強度という）が検出される。

一方、ソフトウェアビニングでは、受光面からサミングゲートに転送された信号電荷を１画素分ずつ電圧へと変換する。そして、変換された電圧に基づき検出される１画素分の蛍光信号強度をメモリへと記憶する。そして、メモリに蓄積された蛍光信号強度をすべて加算することで、疑似的に１画素として結合された受光面の蛍光信号強度として検出する。

また、ダイナミックレンジを拡大させる技術が、特表２００６−５０３２８８号公報（特許文献１）と特開２００３−２３２７３３号公報（特許文献２）とに記載されている。

特許文献１には、「光検出器によって生成された信号は、ロング信号およびショート信号を含むサンプルセットとして測定される。ショート信号は、ロング信号が、光検出器に関連したダイナミックレンジを超えるとき、ロング信号の値までスケーリングされる。」と記載されている。

また、特許文献２には、「弱い励起光と強い励起光を交互に１絵素内で照射し、両強度の蛍光を検出し、この２つのデータから蛍光信号を検出する。また１つの強度の励起光から得られる蛍光像を分岐して検出する際検出光の強度比を１対十〜数百にして検出し、両強度のデータから蛍光強度を検出する。」と記載されている。

特表２００６−５０３２８８号公報 特開２００３−２３２７３３号公報

特許文献１および特許文献２に記載された技術では、蛍光信号が検出される回数が増大し、蛍光信号強度が検出されるまでの時間が長くなるという問題があった。

また、ハードウェアビニングでは、速やかに蛍光信号強度を検出できるものの、強い蛍光信号を測定する場合に、サミングゲートが蓄積可能な電荷量を超え、正確な蛍光信号強度を検出できないという問題がある。

また、ソフトウェアビニングでは、信号の読み出し回数が増えることにより、蛍光信号強度が検出されるまでの時間が長くなるという問題があった。

本発明の目的は、正確かつ可及的速やかに蛍光信号強度を検出する技術を提供することである。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次の通りである。

本発明の一実施の形態は、蛍光信号が照射されることで信号電荷が発生する複数の受光面を有し、前記受光面に発生した複数の前記信号電荷に基づき蛍光信号強度を取得する蛍光検出装置である。そして、前記蛍光検出装置は、複数の前記信号電荷を一括で変換することで前記蛍光信号強度を取得するハードウェアビニングと、前記信号電荷を一つずつ前記蛍光信号強度へ変換し、変換された各前記蛍光信号強度を加算することで前記蛍光信号強度を取得するソフトウェアビニングとのいずれかを実行する。

また、他の実施の形態では、測定対象物が電気泳動するキャピラリアレイと、前記対象物を励起させる励起光を照射し、前記測定対象物に付加された前記蛍光標識から発せられる蛍光信号の蛍光信号強度に基づき前記測定対象物の解析をする蛍光検出装置と、を有するキャピラリアレイ電気泳動装置である。そして、前記蛍光検出装置は、前記蛍光信号が照射されることで信号電荷が発生する複数の受光面を有する。また、前記蛍光検出装置は、複数の前記信号電荷を一括で変換することで前記蛍光信号強度を取得するハードウェアビニングと、前記信号電荷を一つずつ前記蛍光信号強度へ変換し、変換された各前記蛍光信号強度を加算することで前記蛍光信号強度を取得する、ソフトウェアビニングとのいずれかを実行する。

また、他の実施の形態では、蛍光信号が照射されることで信号電荷が発生する複数の受光面を有し、前記受光面に発生した複数の前記信号電荷に基づき蛍光信号強度を取得する蛍光検出装置における蛍光信号強度取得方法であって、ハードウェアビニングを実行することで前記蛍光信号強度を取得する第一ハードウェアビニングステップを有する。また、前記第一ハードウェアビニングステップにて取得した前記蛍光信号強度が第一閾値を超えた後は、ソフトウェアビニングを実行することで前記蛍光信号強度を取得するソフトウェアビニングステップを有する。また、前記ソフトウェアビニングステップにて取得した前記蛍光信号強度が前記第一閾値以下になった後は、前記ハードウェアビニングを実行することで前記蛍光信号強度を取得する第二ハードウェアビニングステップを有する。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

本発明の一実施の形態によれば、正確かつ可及的速やかに蛍光信号強度を検出できるようになる。

実施の形態１におけるキャピラリアレイ電気泳動装置の構成例の概要を示す図である。 実施の形態１における蛍光検出装置の構成例の概要を示す図である。 実施の形態１における全体処理の処理フローを示す図である。 実施の形態１におけるソフトウェアビニングを説明するための図である。 実施の形態１におけるソフトウェアビニングを説明するための図である。 実施の形態１におけるソフトウェアビニングを説明するための図である。 実施の形態１におけるハードウェアビニングを説明するための図である。 実施の形態１におけるハードウェアビニングを説明するための図である。 実施の形態１におけるハードウェアビニングを説明するための図である。 実施の形態１におけるハードウェアビニングを説明するための図である。 実施の形態１におけるハードウェアビニングを説明するための図である。 実施の形態１におけるハードウェアビニングを説明するための図である。 実施の形態１におけるハードウェアビニングを説明するための図である。 実施の形態１におけるメモリに記憶されたデジタル信号の例を示す図である。 実施の形態１におけるメモリに記憶されたデジタル信号の例を示す図である。 受光面とこの受光面に投影されるキャピラリの像との対応関係の例を示す図である。 実施の形態２における全体処理の処理フローを示す図である。 実施の形態２におけるビニングの切り替わりと蛍光信号強度との相関関係を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

[実施の形態１]
実施の形態１を、図１〜図１６を用いて説明する。

実施の形態１では、取得される蛍光信号強度が微小な場合は、ハードウェアビニングを実行する。また、取得される蛍光信号強度が強い場合は、ソフトウェアビニングを実行する。このように、取得される蛍光信号強度に応じてソフトウェアビニングとハードウェアビニングとのいずれかを実行する。

＜キャピラリアレイ電気泳動装置＞
図１は、実施の形態１におけるキャピラリアレイ電気泳動装置２０の構成例の概要を示す図である。図１に示されるように、キャピラリアレイ電気泳動装置２０は、測定対象物であるＤＮＡに蛍光標識を付加したサンプル（以下、サンプルという）が入った複数のサンプル容器５１０（各サンプル容器５１０には、異なるサンプルが入っている）などの容器を搬送する搬送器８００と、サンプル容器５１０を収容するサンプルトレイ５００と、サンプル容器５１０のサンプルが電気泳動するキャピラリアレイ６００と、キャピラリアレイ６００内に電気泳動媒体１０１を注入するポンプユニット１００と、高電圧をかける高圧電源２００と、キャピラリアレイ６００内を一定の温度に保つ恒温槽３００と、サンプルが電気泳動する経路上に設けられる検出位置９００と、蛍光検出装置４００と、制御基板７００とを有する。

キャピラリアレイ６００は、複数のキャピラリ６１０からなる。各キャピラリ６１０は、中空である。また、各キャピラリ６１０は、サンプル容器５１０に挿入される。サンプルは、サンプル容器５１０からキャピラリ６１０内へと移動し、その後、キャピラリ内を電気泳動する。

ポンプユニット１００は、各キャピラリ６１０内に電気泳動媒体１０１（例えば、ポリマー）を注入する。これによって、各キャピラリ６１０内は、電気泳動媒体１０１が充填される。

高圧電源２００は、電気泳動媒体１０１が充填された各キャピラリ６１０の両端に高電圧をかける。そして、各サンプルは、サンプル容器５１０から検出位置９００へ向かって、各キャピラリ６１０内を電気泳動する。その後、各サンプルは、検出位置９００を介して排出位置９０１へ向かって各キャピラリ６１０内を電気泳動する。

サンプルを電気泳動すると、塩基長に応じて泳動速度が異なるため、塩基長の短いＤＮＡから順に検出位置９００に到達する。蛍光検出装置４００は、検出位置９００に到達したサンプルから順に励起光を照射し、蛍光標識が発する蛍光信号強度と波長とを検出する。そして、蛍光検出装置４００は、検出した蛍光信号の波長に基づき、ＤＮＡの塩基配列の解析を行う。

制御基板７００は、蛍光検出装置４００が解析した蛍光信号の塩基配列を外部端末（不図示）に転送する。

＜蛍光検出装置＞
図２は、実施の形態１における蛍光検出装置４００の構成例の概要を示す図である。図２に示されるように、蛍光検出装置４００は、励起光源４０１と、シャッタ４０２と、励起光レンズ４０３と、光学フィルタ４０６と、蛍光レンズ４０７と、回析格子４０８と、ＣＣＤ４０９と、ＣＣＤ制御部４１０と、ＡＤＣ（Ａｎａｌｏｇ ｄｅｇｉｔａｌ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）４１１と、信号処理部４１２と、メモリ４１３とを有する。

励起光源４０１は、継続して励起光４０４を照射する。励起光源４０１は、励起光４０４が検出位置９００を通過するすべてのキャピラリ６１０を投影する位置に設けられる。

シャッタ４０２は、所定間隔ごとに開閉を繰り返す。そして、シャッタ４０２は、励起光源４０１から照射される励起光４０４を開放時に透過し、閉鎖時に遮断する。

励起光レンズ４０３は、シャッタ４０２を透過する励起光４０４を集光する。励起光レンズ４０３にて集光された励起光４０４は、検出位置９００に向けて照射される。

各キャピラリ６１０内であって、検出位置９００を通過する電気泳動するＤＮＡに付加された蛍光標識は、励起光４０４が照射されることで励起し、蛍光信号４０５を発する。

光学フィルタ４０６（例えば、カラーフィルタ）は、蛍光標識から発せられる蛍光信号４０５以外の光をカットする。

蛍光レンズ４０７は、光学フィルタ４０６を通過する蛍光信号４０５を集光する。蛍光レンズ４０７により集光された蛍光信号４０５は、回析格子４０８にて波長ごとに分光され、ＣＣＤ４０９の受光面へ照射される。

波長ごとに分光された蛍光信号４０５が照射されると、ＣＣＤ４０９の受光面には、信号電荷が発生する。そして、ＣＣＤ４０９の変換回路は、信号電荷を電圧に変換する。そして、ＣＣＤ４０９の変換回路は、変換した電圧をアナログ信号として、ＡＤＣ４１１へ出力する。なお、ＣＣＤ４０９は、フレームトランスファー型やフルフレームトランスファー型やインターライントランスファー型やフレームインタートランスファー型のいずれかが適用されるようにして良い。

ＡＤＣ４１１は、ＣＣＤ４０９から出力されたアナログ信号をデジタル信号へと変換する。そして、ＡＤＣ４１１は変換したデジタル信号を信号処理部４１２へ出力する。

信号処理部４１２は、出力されたデジタル信号から蛍光信号強度（疑似的に１画素として結合された受光面５０１の蛍光信号強度が該当する）を取得する。また、デジタル信号から得られる蛍光信号の波長に基づき、ＤＮＡの塩基配列を解析する。また、信号処理部４１２は、出力されたデジタル信号から得られる蛍光信号強度と波長とをメモリ４１３に記憶する。

＜全体処理＞
図３は、実施の形態１における全体処理の処理フローを示す図である。以下、ＣＣＤ４０９の受光面が信号電荷を転送する方向を垂直方向と呼び、ＣＣＤ４０９の水平レジスタ５０２が信号電荷を転送する方向を水平方向と呼ぶ。この全体処理は、シャッタ４０２が開放されるタイミングと同期して実行される。

まず、Ｓ３０１にて、励起光源４０１は、検出位置９００を通過するすべてのキャピラリ６１０に励起光４０４を照射する。ここで、ＣＣＤ４０９の受光面は、すべて（例えば、８本）のキャピラリ６１０の像が投影されるように配置される。

例えば、垂直方向最後尾を１行目とした場合、図１６に示されるように、キャピラリ１は、垂直方法２行目から４行目までの受光面に投影される。また、キャピラリ２は、７行目から９行目までの受光面に投影される。そして、メモリ４１３は、キャピラリ６１０ごとに、キャピラリ６１０がどの受光面に投影されるかを示す情報を記憶する。以下、図１６にて実線で囲われているビニング領域１６００（垂直方向３画素分と水平方向３画素分）をソフトウェアビニングまたはハードウェアビニングして蛍光信号強度を算出する処理を説明する。ビニング領域１６００は、結合される受光面５０１が含まれる領域である。ビニング領域１６００内の受光面５０１は、一つの受光面として疑似的に結合される。

再び図３を参照する。次に、Ｓ３０２にて、受光面５０１に蛍光信号４０５が照射されると、受光面に５０１にて光電変換がされる。そして、受光面５０１には、信号電荷が発生する。そして、受光面５０１は発生した信号電荷を蓄積する。

次に、Ｓ３０３にて、信号処理部４１２は、各キャピラリ６１０（キャピラリ１〜８）から一つのキャピラリ６１０を選択する。なお、１回目にキャピラリ６１０を選択する場合、信号処理部４１２は、各キャピラリのうち、水平方向最後尾から水平方向に近い受光面に投影されるキャピラリ６１０（図１６に示されるキャピラリ１）を選択する。そして、２回目以降にキャピラリ６１０を選択する場合、信号処理部４１２は、未だ蛍光信号強度を算出していないキャピラリ６１０であって、水平方向最後尾から水平方向に近い受光面に投影されるキャピラリ６１０（２回目に選択する場合は、図１６に示されるキャピラリ２）を選択する。

次に、Ｓ３０４にて、信号処理部４１２は、Ｓ３０３にて選択したキャピラリ６１０にソフトウェアビニングフラグがセットされているか否かを判定する。信号処理部４１２が、キャピラリ６１０にソフトウェアビニングフラグがセットされていないと判定する場合（Ｓ３０４−Ｎｏ）、Ｓ３０６へ進み、ハードウェアビニング（後述、図７〜図１２）が実行され、Ｓ３０７へ進む。一方、信号処理部４１２が、キャピラリ６１０にソフトウェアビニングフラグがセットされていると判定する場合（Ｓ３０４−Ｙｅｓ）、Ｓ３０５へ進み、ソフトウェアビニング（後述、図４〜図６）が実行され、Ｓ３０７へ進む。なお、メモリ４１３は、キャピラリ６１０ごとに、ソフトウェアビニングフラグ（シャッタ４０２が１回目に解放される場合は、「０（セット無）」が設定されている）を記憶する。

次に、Ｓ３０７にて、信号処理部４１２は、Ｓ３０５またはＳ３０６にて算出された、疑似的に１画素として結合された受光面５０１の蛍光信号強度が第一閾値（例えば、電荷量（サミングゲートが蓄積可能な半分の電荷量）に対応する蛍光信号強度）を超えているか否かを判定する。信号処理部４１２が、蛍光信号強度が第一閾値を超えていないと判定する場合（Ｓ３０７−Ｎｏ）、Ｓ３０９へ進む。そして、Ｓ３０９にて、信号処理部４１２は、キャピラリ６１０にセットされたソフトウェアビニングフラグをリセットし、Ｓ３１０へ進む。一方、信号処理部４１２が、Ｓ３０５またはＳ３０６にて算出した蛍光信号強度が第一閾値を超えていると判定する場合（Ｓ３０７−Ｙｅｓ）、Ｓ３０８へ進む。そして、Ｓ３０８にて、信号処理部４１２は、キャピラリ６１０のソフトウェアビニングフラグがセットされた状態を維持またはソフトウェアビニングフラグをセットし、Ｓ３１０へ進む。

次に、Ｓ３１０にて、信号処理部４１２は、すべてのキャピラリ６１０について、疑似的に１画素として結合された受光面５０１の蛍光信号強度を算出したか否かを判定する。信号処理部４１２が、すべてのキャピラリ６１０について蛍光信号強度を算出していないと判定する場合（Ｓ３１０−Ｎｏ）、Ｓ３０３へ進む。一方、信号処理部４１２が、すべてのキャピラリ６１０について蛍光信号強度を算出したと判定する場合（Ｓ３１０−Ｙｅｓ）、全体処理を終了する。

ここで、測定を開始した当初は、検出位置９００に到達するサンプルの数が少ない。そして、取得される蛍光信号強度は微小である。

その後、時間の経過とともに、検出位置９００に到達するサンプルの数は増加する。そして、検出位置９００に到達するサンプルの数が増加するのに伴い、取得される蛍光信号強度も強くなる。

検出位置９００に到達するサンプルの数は、ピークに達した後、時間の経過とともに減少する。そして、検出位置９００に淘汰するサンプルの数が減少するのに伴い、取得される蛍光信号の強度も弱くなる。

検出位置９００に到達するサンプルの数は、上述したサイクルを繰り返す。そして、取得される蛍光信号の強度は、サンプルの数の増減に連動して変化する。

ここで、上述した全体処理によれば、シャッタ４０２が１回目に解放される場合は、ソフトウェアビニングフラグには、「０（セット無）」が設定されている。よって、測定を開始した当初の微小な蛍光信号強度を、ハードウェアビニングを実行することで取得できる（この処理は、第一ハードウェアビニングステップに相当する）。

その後、取得される蛍光信号強度が強くなり、蛍光信号強度が第一閾値を超えた場合は、次回以降は、ソフトウェアビニングを実行することで蛍光信号強度を取得する（ソフトウェアビニングステップに相当する）。

その後、取得される蛍光信号強度が弱くなり、蛍光信号強度が第一閾値以下になった後は、ハードウェアビニングを実行することで、蛍光信号強度を取得する（第二ハードウェアビニングステップに相当する）。

＜ソフトウェアビニング＞
図４〜図６は、実施の形態１におけるソフトウェアビニングを説明するための図である。

図４に示されるように、ＣＣＤ４０９は、格子状に配置された受光面５０１と、水平レジスタ５０２と、サミングゲート５０３と、変換回路５０４とを有する。

まず、ＣＣＤ制御部４１０は、各受光面５０１に蓄積された信号電荷を垂直方向に転送させるパルスをパルス線６０１に印加する。パルス線６０１にパルスが印加されると、各受光面５０１に蓄積された信号電荷は、垂直方向に１画素ずつ転送される。これにより、各信号電荷は、図４に示される位置から図５に示される位置へ垂直方向に転送される。

また、図５に示されるように、垂直方向最後尾にある受光面５０１に転送された信号電荷は、水平レジスタ５０２へ転送される。

次に、図５を参照する。ＣＣＤ制御部４１０は、各水平レジスタ５０２に蓄積された信号電荷を水平方向へ転送させるパルスをパルス線６０２に印加する。パルス線６０２にパルスが印加されると、各水平レジスタ５０２に蓄積された信号電荷は水平方向に１画素ずつ転送される。

これにより、各信号電荷は、図５に示される位置から図６に示される位置へ水平方向に転送される。

また、図６に示されるように、水平方向最後尾にある水平レジスタ５０２に転送された信号電荷は、サミングゲート５０３に転送される。サミングゲート５０３は、水平レジスタ５０２から転送される信号電荷を蓄積する。

変換回路５０４は、サミングゲート５０３に蓄積された信号電荷から１画素分の信号電荷を取り出して、電圧に変換する。そして、変換回路５０４は、変換した１画素分の電圧を、アナログ信号としてＡＤＣ４１１へ出力する。

変換回路５０４が、サミングゲート５０３から信号電荷を取り出すと、ＣＣＤ制御部４１０は、各水平レジスタ５０２に蓄積された信号電荷を再び水平方向へ転送させる。

上述した処理は、変換回路５０４により、ビニング領域４２０内の９つの信号電荷のすべてが、サミングゲート５０３から取り出されるまで繰り返される。

ＡＤＣ４１１は、変換回路５０４から出力された１画素分のアナログ信号をデジタル信号に変換する。そして、ＡＤＣ４１１は、変換した１画素分のデジタル信号を信号処理部４１２へ出力する。

信号処理部４１２は、ＡＤＣ４１１から出力されたデジタル信号から定まる蛍光信号強度をメモリ４１３に記憶する。

図１４は、上述した処理により９画素分の蛍光信号強度がメモリ４１３に記憶された例を示す。図１４に示されるように、上位ビット１４００と最下位ビット１４０１とからなる各アドレスにより特定されるメモリ領域には、各蛍光信号強度１４０３が格納されている。蛍光信号強度は、例えば１６進数で表される。信号処理部４１２は、図１４にて実線で囲われた領域１４０２に格納された、９つの蛍光信号強度の合計値を算出する。これにより、信号処理部４１２は、９画素を疑似的に１画素として結合された受光面５０１の蛍光信号強度を算出する。

信号処理部４１２は、図１５に示されるように、各ビニング領域１５０２について算出した蛍光信号強度を上位ビット１５００と最下位ビット１５０１とから各アドレスにより特定されるメモリ領域に記憶する。

＜ハードウェアビニング＞
図７〜図１３は、実施の形態１におけるハードウェアビニングを説明するための図である。

まず、ＣＣＤ制御部４１０は、各受光面５０１に蓄積された信号電荷を垂直方向に転送させるパルスをパルス線６０１に印加する。パルス線６０１にパルスが印加されると、各受光面５０１に蓄積された信号電荷は、垂直方向に１画素ずつ転送される。これにより、信号電荷は、図７に示される位置から垂直方向に図８に示される位置へ転送される。また、図８に示されるように、垂直方向最後尾にある受光面５０１に転送された信号電荷は、水平レジスタ５０２へ転送される。

次に、ＣＣＤ制御部４１０は、各受光面５０１に蓄積された信号電荷を垂直方向に転送させるパルスをパルス線６０１に再度印加する。パルス線６０１にパルスが印加されると、各受光面５０１に蓄積された信号電荷は、垂直方向に１画素ずつ転送される。これにより、各信号電荷は、図８に示される位置から図９に示される位置へ垂直方向に転送される。

また、図９に示されるように、垂直方向最後尾にある受光面５０１に転送された信号電荷は、水平レジスタ５０２へ転送される。さらに、各水平レジスタ５０２には、前回転送された信号電荷と、今回転送された信号電荷とが蓄積される。

次に、ＣＣＤ制御部４１０は、各受光面５０１に蓄積された信号電荷を垂直方向に転送させるパルスをパルス線６０１に再度印加する。パルス線６０１にパルスが印加されると、各受光面５０１に蓄積された信号電荷は、垂直方向に１画素ずつ転送される。これにより、各信号電荷は、図９に示される位置から図１０に示される位置へ垂直方向に転送される。

また、図１０に示されるように、垂直方向最後尾にある受光面５０１に転送された信号電荷は、水平レジスタ５０２へ転送される。そして、各水平レジスタ５０２には、前々回転送された信号電荷と、前回転送された信号電荷と、今回転送された信号電荷とが蓄積される。

次に、ＣＣＤ制御部４１０は、各水平レジスタ５０２に蓄積された信号電荷を水平方向へ転送させるパルスをパルス線６０２に印加する。パルス線６０２にパルスが印加されると、各水平レジスタ５０２に蓄積された信号電荷は水平方向に１画素ずつ転送される。これにより、各信号電荷は、図１０に示される位置から図１１に示される位置へ水平方向に転送される。また、図１１に示されるように、水平方向最後尾にある水平レジスタ５０２に転送された信号電荷は、サミングゲート５０３に転送される。

次に、ＣＣＤ制御部４１０は、各水平レジスタ５０２に蓄積された信号電荷を水平方向へ転送させるパルスをパルス線６０２に再度印加する。パルス線６０２にパルスが印加されると、各水平レジスタ５０２に蓄積された信号電荷は水平方向に１画素ずつ転送される。これにより、各信号電荷は、図１１に示される位置から図１２に示される位置へ水平方向に転送される。

また、図１２に示されるように、水平方向最後尾にある水平レジスタ５０２に転送された信号電荷は、サミングゲート５０３に転送される。そして、サミングゲート５０３には、前回転送された信号電荷と、今回転送された信号電荷とが蓄積される。

次に、ＣＣＤ制御部４１０は、各水平レジスタ５０２に蓄積された信号電荷を水平方向へ転送させるパルスをパルス線６０２に再度印加する。パルス線６０２にパルスが印加されると、各水平レジスタ５０２に蓄積された信号電荷は水平方向に１画素ずつ転送される。これにより、各信号電荷は、図１２に示される位置から図１３に示される位置へ水平方向に転送される。

また、図１３に示されるように、水平方向最後尾にある水平レジスタ５０２に転送された信号電荷は、サミングゲート５０３に転送される。そして、サミングゲート５０３には、前々回転送された信号電荷と、前回転送された信号電荷と、今回転送された信号電荷とが蓄積される。

サミングゲート５０３に蓄積されたすべての信号電荷は、変換回路５０４にて一括で電圧に変換される。そして、変換回路５０４は、変換した電圧をアナログ信号としてＡＤＣ４１１へ出力する。

ＡＤＣ４１１は、変換回路５０４から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換する。そして、ＡＤＣ４１１は、変換したデジタル信号を信号処理部４１２へ出力する。

信号処理部４１２は、ＡＤＣ４１１から出力されたデジタル信号から定まる蛍光信号強度（疑似的に１画素として結合された受光面５０１の蛍光信号強度が該当する）をメモリ４１３に記憶する。

＜本実施の形態の効果＞
以上説明した本実施の形態によれば、ハードウェアビニングとソフトウェアビニングとのいずれかを実行することで、正確かつ可及的速やかに蛍光信号強度を検出できるようになる。さらに、ダイナミックレンジを拡大できるようになる。ここで、ＣＣＤ４０９の受光面５０１の１画素分の飽和電荷量が３２０ｋｅ^-、水平レジスタ５０２の飽和電荷量が１０００ｋｅ^-、サミングゲート５０３の飽和電荷量が１０００ｋｅ^-であって、垂直方向５画素分を水平レジスタ５０２でハードウェアビニングする場合においては、１０００ｋｅ^-で飽和するのに対し、ソフトウェアビニングでは、１６００ｋｅ^-（３２０ｋｅ^-×５）で飽和する。つまり、上述したような条件下では、ダイナミックレンジを最大で１．６倍拡大できるようになる。そして、水平方向に５画素分をハードウェアビニングする場合では、サミングゲート５０３の飽和電荷量が１０００ｋｅ^-であるのに対し、ソフトウェアビニングでは５０００ｋｅ^-となり、５倍のダイナミックレンジの拡大が可能となる。

また、蛍光信号強度が第一閾値を超える場合に、ソフトウェアビニングに切り替えることで、サミングゲート５０３が蓄積可能な電荷量を超えることなく、正確に蛍光信号強度を取得できるようになる。

また、蛍光信号強度が第一閾値以下の場合に、ハードウェアビニングに切り替えることで、ソフトウェアビニングだけを利用するのに対して、信号電荷の読み出し回数を減らせるようになる。これにより、速やかに蛍光信号強度を取得できるようになる。さらに、信号の読み出し回数が増えることによって、ノイズが増大することを防止できるようになる。さらに、ノイズを減らすことによって、検出感度が低下することを防止できるようになる。

また、最初に前記蛍光信号強度を取得する場合、ハードウェアビニングを実行して蛍光信号強度を取得することで、測定開始時点の微小な蛍光信号強度を速やかに取得できるようになる。

[実施の形態２]
実施の形態２が実施の形態１と異なる点は、信号電荷を複数個ずつ蛍光信号強度へ変換し、変換された前記蛍光信号強度を加算することで蛍光信号強度を取得するソフトハードビニングを実行することで前記蛍光信号強度を取得する点である。

以下、実施の形態２を実施の形態１と異なる点を主に図１７と図１８とを用いて説明する。

＜全体処理＞
図１７は、実施の形態２における全体処理の処理フローを示す図である。図１８は、実施の形態２における各ビニングの切り替わりと蛍光信号強度との相関関係を示す図である。

まず、Ｓ１７０１にて、励起光源４０１は、検出位置９００を通過するすべてのキャピラリ６１０に励起光４０４を照射する。ここで、ＣＣＤ４０９の受光面は、すべてのキャピラリ６１０の像が投影されるように配置される。

次に、Ｓ１７０２にて、受光面５０１に蛍光信号４０５が照射されると、受光面に５０１にて光電変換がされる。そして、受光面５０１には、信号電荷が発生する。そして、受光面５０１は発生した信号電荷を蓄積する。

次に、Ｓ１７０３にて、信号処理部４１２は、各キャピラリ６１０から一つのキャピラリ６１０を選択する。

次に、Ｓ１７０４にて、信号処理部４１２は、Ｓ１７０３にて選択したキャピラリ６１０に第一のフラグであるソフトウェアビニングフラグがセットされているか否かを判定する。信号処理部４１２が、キャピラリ６１０にソフトウェアビニングフラグがセットされていないと判定する場合（Ｓ１７０４−Ｎｏ）、Ｓ１７０６へ進む。一方、信号処理部４１２が、キャピラリ６１０にソフトウェアビニングフラグがセットされていると判定する場合（Ｓ１７０４−Ｙｅｓ）、Ｓ１７０５へ進む。そして、Ｓ１７０５にて、ソフトウェアビニング（前述、図４〜図６）が行われ、Ｓ１７０９へ進む。なお、メモリ４１３は、キャピラリ６１０ごとに、ソフトウェアビニングフラグおよびソフトハードビニングフラグ（シャッタ４０２が１回目に解放される場合は、ソフトウェアビニングフラグおよびソフトハードビニングフラグには「０（セット無）」が設定されている）を記憶する。

Ｓ１７０６にて、信号処理部４１２は、Ｓ１７０３にて選択したキャピラリ６１０に第二のフラグであるソフトハードビニングフラグがセットされているか否かを判定する。信号処理部４１２が、キャピラリ６１０にソフトハードビニングフラグがセットされていないと判定する場合（Ｓ１７０６−Ｎｏ）、Ｓ１７０８へ進み、ハードウェアビニング（前述、図７〜図１３）が行われる。一方、信号処理部４１２が、キャピラリ６１０にソフトハードビニングフラグがセットされていると判定する場合（Ｓ１７０６−Ｙｅｓ）、Ｓ１７０７に進み、ソフトハードビニングが行われる。

ソフトハードビニングでは、まず、信号処理部４１２は、各受光面５０１に蓄積された信号電荷を垂直方向に転送させるパルスをパルス線６０１に複数回（２回以上）印加する。次に、信号処理部４１２は、水平レジスタ５０２に蓄積された信号電荷を水平方向へ転送させるパルスをパルス線６０２に１回、印加する。次に、サミングゲート５０３に蓄積された信号電荷は、変換回路５０４にて一括で電圧に変換される。そして、変換回路５０４は、変換した電圧をアナログ信号としてＡＤＣ４１１へ出力する。次に、ＡＤＣ４１１は、変換回路５０４から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換する。そして、ＡＤＣ４１１は、変換したデジタル信号を信号処理部４１２へ出力する。ビニング領域内の信号電荷がサミングゲート５０３にすべて転送されていない場合、ビニング領域内の信号電荷を変換したデジタル信号が信号処理部４１２にすべて出力されるまで、上述した処理が繰り返される。

Ｓ１７０９にて、信号処理部４１２は、Ｓ１７０５または、Ｓ１７０７または、Ｓ１７０８にて算出された蛍光信号強度（疑似的に１画素として結合された受光面５０１の蛍光信号強度が該当する）が第二閾値１８００（例えば、電荷量（１画素分の受光面５０１が蓄積可能な電荷量にビニングする画素数を乗じた電荷量）の半分に対応する蛍光信号強度）を超えていないか判定する。信号処理部４１２が、蛍光信号強度が第二閾値１８００を超えていないと判定する場合（Ｓ１７０９−Ｙｅｓ）、Ｓ１７１１へ進む。そして、Ｓ１７１１にて、信号処理部４１２は、キャピラリ６１０のソフトウェアビニングフラグまたはソフトハードビニングフラグをリセットし、Ｓ１７１４に進む。

一方、信号処理部４１２が、Ｓ１７０５または、Ｓ１７０７または、Ｓ１７０８にて算出した蛍光信号強度が第二閾値を超えていると判定する場合（Ｓ１７０９−Ｎｏ）、Ｓ１７１０に進む。

Ｓ１７１０にて、信号処理部４１２は、Ｓ１７０５または、Ｓ１７０７または、Ｓ１７０８にて算出された蛍光信号強度が第一閾値１８０１（例えば、電荷量（サミングゲートが蓄積可能な半分の電荷量）に対応する蛍光信号強度）を超えていない否かを判定する。信号処理部４１２が、蛍光信号強度が第一閾値１８０１を超えていないと判定する場合（Ｓ１７１０−Ｙｅｓ）、Ｓ１７１２へ進む。そして、Ｓ１７１２にて、信号処理部４１２は、キャピラリ６１０のソフトハードビニングフラグがセットされた状態を維持またはソフトハードビニングフラグをセットする。さらに、信号処理部４１２は、ソフトウェアビニングフラグがセットされている場合は、セットされているソフトウェアビニングフラグをリセットし、Ｓ１７１４に進む。

一方、信号処理部４１２が、Ｓ１７０５または、Ｓ１７０７または、Ｓ１７０８にて算出した蛍光信号強度が第一閾値１８０１を超えていると判定する場合（Ｓ１７１０−Ｎｏ）、Ｓ１７１３へ進む。そして、Ｓ１７１３にて、信号処理部４１２は、キャピラリ６１０のソフトウェアビニングフラグがセットされた状態を維持またはソフトウェアビニングフラグをセットする。さらに、信号処理部４１２は、ソフトハードビニングフラグがセットされている場合は、セットされているソフトハードビニングフラグをリセットし、Ｓ１７１４に進む。

Ｓ１７１４にて、信号処理部４１２は、すべてのキャピラリ６１０について蛍光信号強度を算出したか否かを判定する。信号処理部４１２が、すべてのキャピラリ６１０について蛍光信号強度を算出していないと判定する場合（Ｓ１７１４−Ｎｏ）、Ｓ１７０３へ進む。一方、信号処理部４１２が、すべてのキャピラリ６１０について蛍光信号強度を算出したと判定する場合（Ｓ１７１４−Ｙｅｓ）、全体処理を終了する。

＜実施の形態２の効果＞
以上のように、本実施の形態２によれば閾値に応じてソフトハードビニングとハードウェアビニングとソフトハードビニングとを切り替えることで、実施の形態１と同様の効果に加えて蛍光信号強度を取得するのに要する時間をさらに短縮できるようになる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

本発明の蛍光検出装置は、測定対象物に付加された蛍光標識から発せられる蛍光信号強度が経時的に変化する測定に利用される装置に適用するようにしても良い。例えば、本発明の蛍光検出装置は、リアルタイムＰＣＲ装置や免疫分析装置に適用するようにしても良い。

２０ キャピラリアレイ電気泳動装置
１００ ポンプユニット
１０１ 電気泳動媒体
２００ 高圧電源
３００ 恒温槽
４００ 蛍光検出装置
４０１ 励起光源
４０２ シャッタ
４０３ 励起光レンズ
４０４ 励起光
４０５ 蛍光信号
４０６ 光学フィルタ
４０７ 蛍光レンズ
４０８ 回析格子
４０９ ＣＣＤ
４１０ ＣＣＤ制御部
４１１ ＡＤＣ
４１２ 信号処理部
４１３ メモリ
５００ サンプルトレイ
５０１ 受光面
５０２ 水平レジスタ
５０３ サミングゲート
５０４ 変換回路
５１０ サンプル容器
６００ キャピラリアレイ
６０１，６０２ パルス線
６１０ キャピラリ
７００ 制御基板
８００ 搬送器
９００ 検出位置
９０１ 排出位置
１４００ 上位ビット
１４０１ 最下位ビット
１４０２ 領域
１４０３ 蛍光信号強度
１５００ 上位ビット
１５０１ 最下位ビット
４２０，１５０２，１６００ ビニング領域
１８００ 第二閾値
１８０１ 第一閾値

Claims (9)

1. 蛍光信号が照射されることで信号電荷が発生する複数の受光面を有し、前記受光面に発生した複数の前記信号電荷に基づき、蛍光信号強度を取得する蛍光検出装置であって、
   複数の前記信号電荷を一括で変換することで前記蛍光信号強度を取得するハードウェアビニングと、
   前記信号電荷を一つずつ前記蛍光信号強度へ変換し、変換された各前記蛍光信号強度を加算することで前記蛍光信号強度を取得する、ソフトウェアビニングとの、
   いずれかを実行する、
   蛍光検出装置。
2. 請求項１に記載の蛍光検出装置において、
   前記ハードウェアビニングを実行することで取得した前記蛍光信号強度が第一閾値を超える場合は、前記ソフトウェアビニングに切り替えて前記蛍光信号強度を取得し、
   前記ソフトウェアビニングを実行することで取得した前記蛍光信号強度が前記第一閾値以下である場合は、前記ハードウェアビニングに切り替えて前記蛍光信号強度を取得する、
   蛍光検出装置。
3. 請求項１または２に記載の蛍光検出装置において、
   最初に前記蛍光信号強度を取得する場合、前記ハードウェアビニングを実行して前記蛍光信号強度を取得する、蛍光検出装置。
4. 請求項１に記載の蛍光検出装置において、
   前記信号電荷を複数個ずつ前記蛍光信号強度へ変換し、変換された前記蛍光信号強度を加算することで前記蛍光信号強度を取得するソフトハードビニングと、前記ハードウェアビニングと、前記ソフトウェアビニングとのいずれかを実行することで前記蛍光信号強度を取得する、蛍光検出装置。
5. 請求項４に記載の蛍光検出装置において、
   前記ハードウェアビニングを実行することで取得した前記蛍光信号強度が第二閾値を超える場合は、前記ソフトハードビニングに切り替えて前記蛍光信号強度を取得し、
   前記ソフトハードビニングを実行することで取得した前記蛍光信号強度が第一閾値を超える場合は、前記ソフトウェアビニングに切り替えて前記蛍光信号強度を取得し、
   前記ソフトウェアビニングを実行することで取得した前記蛍光信号強度が前記第一閾値以下である場合は、前記ソフトハードビニングに切り替えて前記蛍光信号強度を取得し、
   前記ソフトハードビニングを実行することで取得した前記蛍光信号強度が前記第二閾値以下である場合は、前記ハードウェアビニングに切り替えて前記蛍光信号強度を取得する、蛍光検出装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の蛍光検出装置において、
   前記受光面は、ＣＣＤである、蛍光検出装置。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の蛍光検出装置において、
   キャピラリアレイ内を電気泳動する測定対象物を励起させる励起光を照射する励起光源を有し、
   前記蛍光信号は、前記キャピラリアレイ内を電気泳動する測定対象物に付加された蛍光標識から発せられる、蛍光検出装置。
8. 測定対象物が電気泳動するキャピラリアレイと、前記測定対象物を励起させる励起光を照射し、前記測定対象物に付加された蛍光標識から発せられる蛍光信号の蛍光信号強度に基づき前記測定対象物の解析をする蛍光検出装置と、を有するキャピラリアレイ電気泳動装置であって、
   前記蛍光検出装置は、
   前記蛍光信号が照射されることで信号電荷が発生する複数の受光面を有し、
   複数の前記信号電荷を一括で変換することで前記蛍光信号強度を取得するハードウェアビニングと、
   前記信号電荷を一つずつ前記蛍光信号強度へ変換し、変換された各前記蛍光信号強度を加算することで前記蛍光信号強度を取得する、ソフトウェアビニングとの、
   いずれかを実行する、
   キャピラリアレイ電気泳動装置。
9. 蛍光信号が照射されることで信号電荷が発生する複数の受光面を有し、前記受光面に発生した複数の前記信号電荷に基づき蛍光信号強度を取得する蛍光検出装置を用いた蛍光信号強度取得方法であって、
   ハードウェアビニングを実行することで前記蛍光信号強度を取得する第一ハードウェアビニングステップと、
   前記第一ハードウェアビニングステップにて取得した前記蛍光信号強度が第一閾値を超えた後は、ソフトウェアビニングを実行することで前記蛍光信号強度を取得するソフトウェアビニングステップと、
   前記ソフトウェアビニングステップにて取得した前記蛍光信号強度が前記第一閾値以下になった後は、前記ハードウェアビニングを実行することで前記蛍光信号強度を取得する第二ハードウェアビニングステップと、
   を有する、
   蛍光信号強度取得方法。

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