JP2610870B2 - Base sequencer - Google Patents

Base sequencer

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JP2610870B2 JP62099435A JP9943587A JP2610870B2 JP 2610870 B2 JP2610870 B2 JP 2610870B2 JP 62099435 A JP62099435 A JP 62099435A JP 9943587 A JP9943587 A JP 9943587A JP 2610870 B2 JP2610870 B2 JP 2610870B2
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  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、サンガーの方法によって核酸の塩基配列を
決定する過程で、特に予めプライマーを蛍光物質や燐光
物質などの標識色素でラベルしておき、最終段階のゲル
電気泳動からの配列の読取りをその標識色素からの発光
を利用して分光学的方法により行なう装置に関するもの
である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Industrial application field) In the present invention, in the process of determining the nucleotide sequence of a nucleic acid by the Sanger method, in particular, a primer is previously labeled with a labeling dye such as a fluorescent substance or a phosphorescent substance. The present invention relates to an apparatus for reading out a sequence from gel electrophoresis at the final stage by a spectroscopic method utilizing luminescence from a labeled dye.

(従来の技術) 従来の塩基配列決定装置としては、例えば「Nature」
誌、第321巻、第674〜679ページ(1986年)のものや、
日本生物物理学会年会(1986年10月、筑波)3E1130のも
のなどがある。これらの塩基配列決定装置は、予めサン
ガー法(「Proc.Natl.Acad.Sci.USA」誌、第74巻、第54
63ページ(1977年)参照)で処理したDNA断片にその末
端塩基の種類(A(アデニン)、G(グアニン)、T
(テミン)、C(シトシン))に応じて別々の蛍光物質
をつけたものを単一の泳動レーンで泳動させるか、又は
同じ蛍光物質をつけたものを別々の泳動レーンで泳動さ
せるかし、その蛍光物質をレーザ光で励起し、蛍光波長
の光のみを受光し測定することによりDNA断片の泳動パ
ターンを検出し、最終的に塩基配列を決定している。
(Prior Art) As a conventional base sequence determination device, for example, "Nature"
Magazine, Volume 321 and Pages 674-679 (1986),
Biophysical Society of Japan Annual Meeting (October 1986, Tsukuba) 3E1130. These base sequence determination devices have been prepared in advance by the Sanger method ("Proc. Natl. Acad. Sci. USA", Vol. 74, No. 54).
The types of terminal bases (A (adenine), G (guanine),
(Temin), C (cytosine)) depending on the type of fluorescent substance, or migrated in a single migration lane, or labeled with the same fluorescent substance in separate migration lanes, The fluorescent substance is excited by laser light, and only the light of the fluorescence wavelength is received and measured, thereby detecting the migration pattern of the DNA fragment and finally determining the base sequence.

従来の塩基配列決定装置を詳しく説明するために、代
表例を第3図に示す。第3図の装置と類似の装置が「Hi
gh Technology」誌、1986年12月号、第49ページに記載
されている。
A representative example is shown in FIG. 3 in order to explain the conventional base sequence determination device in detail. An apparatus similar to the apparatus in FIG.
gh Technology ”, December 1986, page 49.

第3図において、2はポリアクリルアミドにてなる泳
動ゲルであり、その両端が電極槽4,6に浸されている。
電極槽4,6には電解液が収容されている。電極槽4,6の間
には泳動電源8によって泳動電圧が印加される。泳動ゲ
ル2の一端には試料を注入するためのスロット10が設け
られており、このスロット10に末端塩基別の試料が注入
され、泳動電源8からの泳動電圧によって試料が泳動ゲ
ル2中を矢印12方向に電気泳動し展開されていく。
In FIG. 3, reference numeral 2 denotes a migration gel made of polyacrylamide, both ends of which are immersed in electrode baths 4 and 6.
Electrode solutions are contained in the electrode tanks 4 and 6. A migration voltage is applied between the electrode tanks 4 and 6 by a migration power supply 8. A slot 10 for injecting a sample is provided at one end of the electrophoresis gel 2, and a sample for each terminal base is injected into the slot 10, and the electrophoresis voltage from the electrophoresis power supply 8 causes the sample to flow through the electrophoresis gel 2. It is electrophoresed in 12 directions and developed.

14は励起光光源としてのレーザであり、励起光はハー
フミラー又はダイクロイックミラー16で反射され、対物
レンズ18を経て泳動ゲル2に照射される。泳動ゲル2中
を泳動してきた試料の蛍光ラベルからの蛍光は再び対物
レンズ18で集光され、ハーフミラー又はダイクロイック
ミラー16を透過して蛍光選択用干渉フィルタ20を通り、
光電素子としての光電子増倍管22に受光され検出され
る。
Reference numeral 14 denotes a laser as an excitation light source. The excitation light is reflected by a half mirror or a dichroic mirror 16 and irradiates the electrophoretic gel 2 via an objective lens 18. The fluorescence from the fluorescent label of the sample that has migrated in the electrophoresis gel 2 is collected again by the objective lens 18, passes through the half mirror or dichroic mirror 16, passes through the fluorescence selection interference filter 20,
The light is received and detected by a photomultiplier tube 22 as a photoelectric element.

第3図の装置では、1つの対物レンズ18を励起光照射
用及び蛍光受光用に共用し、対物レンズ18及びそれと関
連する光学系全体を試料の配列方向23(泳動方向12と直
交する方向、図では横方向)に機械的に走査する。
In the apparatus shown in FIG. 3, one objective lens 18 is commonly used for excitation light irradiation and fluorescence reception, and the objective lens 18 and the entire optical system related thereto are arranged in a sample arrangement direction 23 (a direction orthogonal to the migration direction 12; The scanning is performed mechanically in the horizontal direction in the figure.

(発明が解決しようとする問題点) 第3図の塩基配列決定装置を初め、従来の塩基配列決
定装置は、レーザ光で蛍光物質を励起し、その蛍光光を
分光し検出しているが、蛍光光は非常に弱いので、泳動
ゲルによる励起光のレーリー散乱成分や水のラマン散乱
による成分が蛍光光の強力や背景光となってS/N比を低
下させる。
(Problems to be Solved by the Invention) Including the base sequence determination device shown in FIG. 3, conventional base sequence determination devices excite a fluorescent substance with laser light and spectrally detect the fluorescent light. Since the fluorescent light is very weak, the Rayleigh scattering component of the excitation light due to the electrophoresis gel and the component due to the Raman scattering of water become the intensity and background light of the fluorescent light, and lower the S / N ratio.

以下、第3図の塩基配列決定装置を例にして問題点を
詳しく説明する。
Hereinafter, the problem will be described in detail with reference to the base sequence determination apparatus of FIG. 3 as an example.

光電子増倍管22で受光される光はダイクロイックミラ
ー16及び蛍光選択用干渉フィルタ20を透過してくるが、
光電子増倍管22で受光される光は蛍光光のみではなく、
厳密に言えば励起光のレーリー散乱光や水のラマン散乱
光が背景光として入っている。
The light received by the photomultiplier tube 22 passes through the dichroic mirror 16 and the fluorescence selection interference filter 20,
The light received by the photomultiplier tube 22 is not only fluorescent light,
Strictly speaking, Rayleigh scattered light of excitation light and Raman scattered light of water are included as background light.

レーザ光による励起ではレーザ光のスペクトルは極め
て狭く、ラマン散乱もそのスペクトルが極めて狭くな
る。レーリー散乱光やラマン散乱光は蛍光光とは波長が
異なるので、もし、蛍光光を完全な波長フィルタ(干渉
フィルタ)20で取り出せるものならば光電子増倍管22で
受光される光の中にレーリー散乱光やラマン散乱光が混
入することはなく、背景光が高くなることはなく、した
がってS/N比が悪化することはない筈である。
When excited by laser light, the spectrum of laser light is extremely narrow, and the spectrum of Raman scattering is also extremely narrow. Rayleigh scattered light and Raman scattered light have different wavelengths from fluorescent light, so if fluorescent light can be extracted with a perfect wavelength filter (interference filter) 20, Rayleigh scattered light and Raman scattered light will be included in the light received by the photomultiplier tube 22. Scattered light and Raman scattered light are not mixed in, the background light is not increased, and the S / N ratio should not deteriorate.

ところが、ダイクロイックミラー16や干渉フィルタ20
を用いているにも拘わらず励起光成分や水のラマン散乱
光成分が光電子増倍管22に入射してくるのは、ダイクロ
イックミラー16や干渉フィルタ20が完全に波長を分離す
ることができないためである。例えば、干渉フィルタ20
が理想的な干渉フィルタであっても、波長を分離できる
のは入射光が干渉フィルタ20に直角に入射するときだけ
である。実際には蛍光光はインコヒーレントであり、蛍
光光源の大きさをもっているので、たとえ対物レンズ18
で平行光を得てもこの条件は満たされない。
However, the dichroic mirror 16 and the interference filter 20
Although the excitation light component and the Raman scattered light component of water are incident on the photomultiplier tube 22 in spite of using, the dichroic mirror 16 and the interference filter 20 cannot completely separate the wavelength. It is. For example, the interference filter 20
Is an ideal interference filter, the wavelength can be separated only when the incident light enters the interference filter 20 at a right angle. Actually, since the fluorescent light is incoherent and has the size of the fluorescent light source, even if the objective lens 18
However, this condition is not satisfied even if parallel light is obtained.

仮に、干渉フィルタ20の代りに回折格子を用いても、
入射スリットがある大きさをもち、また回折格子の本数
も無限ではなく、蛍光光がインコヒーレントでもあるの
で、その回折格子は同様に理想的波長フィルタとはなら
ない。
Even if a diffraction grating is used instead of the interference filter 20,
Since the entrance slit has a certain size, the number of diffraction gratings is not infinite, and the fluorescent light is also incoherent, the diffraction grating similarly cannot be an ideal wavelength filter.

すなわち、実験的に可能な物理系では完全に蛍光波長
のみを分離することはできず、光電子増倍管22に背景光
としてレーリー散乱による励起波長成分や水のラマン散
乱波長成分の混入は避けられない。
That is, it is impossible to completely separate only the fluorescence wavelength with a physical system that can be experimentally performed, and the mixing of the excitation wavelength component due to Rayleigh scattering and the Raman scattering wavelength component of water as background light into the photomultiplier tube 22 is avoided. Absent.

第3図のように泳動させながら泳動ゲル上の特定の場
所での蛍光の時間変化をみる方式(オンライン方式)で
は、いったん別の泳動装置で泳動させ展開させたパター
ンを測定する方式(オフライン方式)に比べて泳動ゲル
自体の場所による光学特性の差が出てこなくて有利であ
るが、それでも結局、核酸断片の通過、泳動ゲル2自体
の光学特性の時間変動、泡の発生又はレーザ光自体の出
力のふらつきによって、励起光のレーリー散乱光や水の
ラマン散乱光による背景光強度が大きく変動し、本来の
信号である蛍光出力の変動を包み込んでしまい、測定感
度が低下してしまう。
As shown in FIG. 3, in the method of observing the time change of fluorescence at a specific place on the electrophoresis gel while electrophoresis is performed (online method), a method of measuring a pattern which has been electrophoresed and developed by another electrophoresis apparatus (offline method) Advantageously, there is no difference in the optical properties depending on the location of the electrophoretic gel itself as compared with the method (1), but after all, the passage of nucleic acid fragments, the time variation of the optical properties of the electrophoretic gel 2 itself, the generation of bubbles, or the laser light itself The fluctuation of the output causes the background light intensity to fluctuate greatly due to the Rayleigh scattered light of the excitation light and the Raman scattered light of the water, and wraps up the fluctuation of the fluorescent output, which is the original signal, and the measurement sensitivity decreases.

以上の問題は標識色素として蛍光物質の代りに燐光物
質を用いても全く同じことである。
The above problem is exactly the same when a phosphorescent substance is used instead of a fluorescent substance as a labeling dye.

本発明は泳動ゲルに励起光照射をして検出した信号か
ら背景光の変動分を除去することによって測定感度の高
い塩基配列決定装置を提供することを目的とするもので
ある。
An object of the present invention is to provide a base sequence determination apparatus having high measurement sensitivity by removing a variation in background light from a signal detected by irradiating an electrophoresis gel with excitation light.

(問題点を解決するための手段) 本発明では泳動ゲルから蛍光測定や燐光測定を行なっ
たとき、その検出信号の背景光となる泳動ゲル自体の光
学特性の変化、レーリー散乱光強度の変化及びラマン散
乱光の変化のうちの少なくとも一部を同時に測定し、そ
の背景光の変動分を検出信号から除去する。
(Means for Solving the Problems) In the present invention, when the fluorescence measurement or the phosphorescence measurement is performed from the electrophoretic gel, the change in the optical characteristics of the electrophoretic gel itself, which is the background light of the detection signal, the change in the Rayleigh scattered light intensity, At least a part of the change in the Raman scattered light is measured at the same time, and the fluctuation of the background light is removed from the detection signal.

実施例を示す第1図及び第2図を参照して説明する
と、本発明の塩基配列決定装置は、標識色素によりラベ
ルされた核酸断片をスラブ状泳動ゲル(2)に電気泳動
させる機構(4,6,8)と、泳動ゲル(2)に励起光ビー
ムを照射する機構(14,16,18,44)と、励起光ビームに
より照射された部分からの光を受光する第1の受光部
(20,22,46,52)と、この第1の受光部で受光される光
の一部から励起波長成分及び水のラマン散乱波長成分の
少なくとも一方を取り出す光学系(24,26,46,54)と、
この光学系により取り出された光を受光する第2の受光
部(28、52)と、第2の受光部のレベルを調整する可変
抵抗(36)と、前記第1の受光部の出力から前記第2の
受光部の出力に比例した量を引算して標識色素の発光強
度を算出し、この発光強度をもとにして核酸の塩基配列
を決定するデータ処理部(30、32、34、38、40)とを備
えている。
Referring to FIG. 1 and FIG. 2 showing the embodiment, the base sequence determination apparatus of the present invention is a mechanism (4) for electrophoresing a nucleic acid fragment labeled with a labeling dye on a slab-like electrophoresis gel (2). , 6,8), a mechanism (14,16,18,44) for irradiating the electrophoresis gel (2) with an excitation light beam, and a first light receiving unit for receiving light from a portion irradiated by the excitation light beam (20, 22, 46, 52) and an optical system (24, 26, 46, 52) for extracting at least one of an excitation wavelength component and a Raman scattering wavelength component of water from a part of the light received by the first light receiving unit. 54)
A second light receiving unit (28, 52) for receiving the light extracted by the optical system; a variable resistor (36) for adjusting the level of the second light receiving unit; The data processing unit (30, 32, 34, 34) calculates the luminescence intensity of the labeled dye by subtracting an amount proportional to the output of the second light receiving unit and determines the base sequence of the nucleic acid based on the luminescence intensity. 38, 40).

(実施例) 第1図は第3図に示された塩基配列決定装置に本発明
を適用した例を表わす。第3図と同一の部分には同一の
符号を付す。
(Example) FIG. 1 shows an example in which the present invention is applied to the base sequence determination device shown in FIG. The same parts as those in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals.

スラブ状泳動ゲル2としては8%ポリアクリルアミド
よりなるゲルを使用する。泳動ゲル2の上下には電解液
の入った電極槽4,6を備え、泳動電源8によって泳動電
流が印加されるようになっている。
As the slab-like electrophoresis gel 2, a gel made of 8% polyacrylamide is used. Electrode tanks 4 and 6 containing an electrolytic solution are provided above and below the electrophoresis gel 2, and an electrophoresis current is applied by an electrophoresis power supply 8.

泳動ゲル2の上端には試料を注入するためのスロット
10が設けられており、各スロット10にはサンガー法で処
理されそのプライマーに標識色素である蛍光物質TRITC
で予めラベルされたDNA断片がその末端塩基A,T,C,Gのそ
れぞれ別々に入れられ、泳動方向12に泳動させられる。
蛍光物質TRITCは吸収ピークが545nm付近であり、発光す
る蛍光のピークが570nm付近である。
Slot for injecting sample at the upper end of electrophoresis gel 2
Each slot 10 is treated by the Sanger method and the primer is labeled with a fluorescent substance TRITC which is a labeling dye.
The DNA fragments labeled in advance are separately placed in their terminal bases A, T, C, and G, respectively, and are allowed to migrate in the migration direction 12.
The fluorescent substance TRITC has an absorption peak near 545 nm, and a peak of emitted fluorescence near 570 nm.

励起光源としてのレーザ14には発振波長514nmのアル
ゴンレーザを用いる。
An argon laser having an oscillation wavelength of 514 nm is used as the laser 14 as an excitation light source.

ダイクロイックミラー16には540nm以上の光を透過さ
せ、それ未満の波長の光を反射するものを使用する。ダ
イクロイックミラー16はレーザ14からのレーザ光を反射
する位置に設けられている。
A dichroic mirror 16 that transmits light of 540 nm or more and reflects light of a wavelength shorter than 540 nm is used. The dichroic mirror 16 is provided at a position where the laser light from the laser 14 is reflected.

対物レンズ18はダイクロイックミラー16で反射された
光を泳動ゲル2の表面に集光させる。対物レンズ18はま
た泳動ゲル2の照射部分からの光を集光してダイクロイ
ックミラー16に入射させる。
The objective lens 18 condenses the light reflected by the dichroic mirror 16 on the surface of the electrophoresis gel 2. The objective lens 18 also condenses the light from the irradiated portion of the electrophoresis gel 2 and causes the light to enter the dichroic mirror 16.

ダイクロイックミラー16を透過した光を受光する位置
にはダイクロイックミラー24が設けられている。ダイク
ロイックミラー24としても540nm以上の光を透過させ、
それ未満の波長の光を反射させるものを使用する。
A dichroic mirror 24 is provided at a position where the light transmitted through the dichroic mirror 16 is received. The dichroic mirror 24 also transmits light of 540 nm or more,
One that reflects light of a wavelength less than that is used.

ダイクロイックミラー24を透過した光を受光する位置
には干渉フィルタ20を介して光電子増倍管22が設けられ
ている。干渉フィルタ20は蛍光ピーク波長570nmに狭い
透過バンドをもつものを使用する。
A photomultiplier tube 22 is provided at a position for receiving the light transmitted through the dichroic mirror 24 via an interference filter 20. The interference filter 20 has a narrow transmission band at a fluorescence peak wavelength of 570 nm.

ダイクロイックミラー24で反射された光を受光する位
置には、干渉フィルタ26を介して光電子増倍管28が設け
られている。干渉フィルタ26としては514nmに狭い透過
バンドをもつものを使用する。ダイクロイックミラー24
で反射されるのは540nmより短波長の光であり、この反
射光をさらに514nmの干渉フィルタ26によって取り出し
光電子増倍管28で検出を行なう。光電子増倍管28で検出
されるのはレーリー散乱による励起光成分である。
At a position where the light reflected by the dichroic mirror 24 is received, a photomultiplier tube 28 is provided via an interference filter 26. As the interference filter 26, a filter having a narrow transmission band at 514 nm is used. Dichroic mirror 24
The light reflected by is a light having a wavelength shorter than 540 nm. The reflected light is further extracted by the interference filter 26 of 514 nm and detected by the photomultiplier tube 28. What is detected by the photomultiplier tube 28 is an excitation light component due to Rayleigh scattering.

30は蛍光検出用の光電子増倍管22の検出信号を増幅す
る増幅器、32は励起光成分検出用の光電子増倍管28の検
出信号を増幅する増幅器である。増幅器30の出力は差動
増幅器34の非反転入力端子に入力され、増幅器32の出力
はレベル調整用の可変抵抗器36を経て差動増幅器34の反
転入力端子に入力される。
Reference numeral 30 denotes an amplifier for amplifying the detection signal of the photomultiplier tube 22 for detecting fluorescence, and reference numeral 32 denotes an amplifier for amplifying the detection signal of the photomultiplier tube 28 for detecting the excitation light component. The output of the amplifier 30 is input to the non-inverting input terminal of the differential amplifier 34, and the output of the amplifier 32 is input to the inverting input terminal of the differential amplifier 34 via the variable resistor 36 for level adjustment.

差動増幅器34の出力はA/D変換器38によってデジタル
信号に変換されてマイクロコンピュータ40に入力され
る。
The output of the differential amplifier 34 is converted into a digital signal by an A / D converter 38 and input to a microcomputer 40.

ダイクロイックミラー16、対物レンズ18を含む光学系
全体は駆動機構42によって泳動方向12と直交する方向23
に機械的に高速走査される。マイクロコンピュータ40は
駆動機構42を制御することにより、入力した蛍光のパタ
ーンからDNAの泳動パターンを計算し、目的とする塩基
配列を決定する。
The entire optical system including the dichroic mirror 16 and the objective lens 18 is driven by a driving mechanism 42 in a direction 23 orthogonal to the electrophoresis direction 12.
Is mechanically scanned at high speed. By controlling the drive mechanism 42, the microcomputer 40 calculates the DNA migration pattern from the input fluorescence pattern and determines the target base sequence.

本実施例の動作を説明すると、光電子増倍管22で受光
される光にはDNA断片の蛍光ラベルからの蛍光光だけで
はなく、レーリー散乱光やラマン散乱光がダイクロイッ
クミラー16,24や干渉フィルタ20の不完全な分離特性に
よって混入している。
To explain the operation of the present embodiment, the light received by the photomultiplier tube 22 includes not only the fluorescent light from the fluorescent label of the DNA fragment, but also the Rayleigh scattered light and the Raman scattered light, which are dichroic mirrors 16 and 24 and interference filters. Contaminated by 20 imperfect separation properties.

光電子増倍管28で受光された光束について考えると、
ダイクロイックミラー24に入射するまでの光束25は光電
子増倍管22で受光される光束と同じものであるから、光
電子増倍管28で受光された光束は光電子増倍管22で検出
された信号の背景光を反映している。厳密には光電子増
倍管28の出力の中には蛍光成分も含まれるが、大部分は
背景光そのものである。
Considering the luminous flux received by the photomultiplier tube 28,
Since the light beam 25 before being incident on the dichroic mirror 24 is the same as the light beam received by the photomultiplier tube 22, the light beam received by the photomultiplier tube 28 is the signal of the signal detected by the photomultiplier tube 22. Reflects background light. Strictly speaking, the output of the photomultiplier tube 28 includes a fluorescent component, but most of the output is the background light itself.

背景光はレーリー散乱光とラマン散乱光からなるが、
レーリー散乱の方がラマン散乱よりはるかに強く、また
この場合波長もレーリー散乱の方が蛍光に近いので、背
景光は殆どレーリー散乱によるものと考えても差し仕え
がない。
The background light consists of Rayleigh scattered light and Raman scattered light,
Rayleigh scattering is much stronger than Raman scattering, and in this case, the wavelength is also closer to fluorescence than Rayleigh scattering. Therefore, it can be considered that the background light is almost due to Rayleigh scattering.

光電子増倍管22の受光信号が変動しても、もしその変
動が何らかの原因による背景光の変動に起因するもので
あれば光電子増倍管28の出力も同様に変動し、もしその
変動が蛍光光の変動による真の信号であれば光電子増倍
管22の出力のみが変動し、光電子増倍管28の出力は変動
しない。そこで、差動増幅器34で両出力の差分を取れば
その出力は蛍光信号のみを表わすことになる。
Even if the light receiving signal of the photomultiplier tube 22 fluctuates, if the fluctuation is caused by a fluctuation of the background light for some reason, the output of the photomultiplier tube 28 also fluctuates, and if the fluctuation is a fluorescent light, If the signal is a true signal due to light fluctuation, only the output of the photomultiplier tube 22 fluctuates, and the output of the photomultiplier tube 28 does not fluctuate. Therefore, if the difference between the two outputs is obtained by the differential amplifier 34, the output represents only the fluorescence signal.

レベル調整用の可変抵抗器36は、蛍光物質が全くない
とき、すなわち泳動前、に差動増幅器34の出力が0にな
るように増幅器32の増幅度を調整するものである。
The variable resistor 36 for adjusting the level adjusts the amplification degree of the amplifier 32 so that the output of the differential amplifier 34 becomes 0 when there is no fluorescent substance, that is, before the migration.

駆動機構42を通して対物レンズ23を含む光学系全体を
走査しながら、背景光の除去された蛍光出力信号をマイ
クロコンピュータ40に入力していくことによって塩基配
列を決定する。
The base sequence is determined by inputting a fluorescence output signal from which background light has been removed to the microcomputer 40 while scanning the entire optical system including the objective lens 23 through the drive mechanism 42.

第2図は他の実施例を表わす。 FIG. 2 shows another embodiment.

泳動ゲル2の上下両端に電極槽4,6を備え、泳動ゲル
2の上端の試料注入用スロット10に注入された核酸断片
試料を泳動電源8からの泳動電流によって泳動ゲル2中
を電気泳動させる点は第1図の実施例と同じある。
Electrode tanks 4 and 6 are provided at the upper and lower ends of the electrophoresis gel 2, and the nucleic acid fragment sample injected into the sample injection slot 10 at the upper end of the electrophoresis gel 2 is electrophoresed in the electrophoresis gel 2 by electrophoresis current from the electrophoresis power supply 8. The points are the same as the embodiment of FIG.

この実施例でも励起光源としてアルゴンレーザ14を用
いる。44はアルゴンレーザ14からのレーザ光を反射させ
て泳動ゲル2の面の法線方向に照射する正多角形ミラー
である。正多角形ミラー44が回転することによって励起
光であるレーザ光は泳動ゲル2上を泳動方向と直交する
方向に走査させられる。
Also in this embodiment, an argon laser 14 is used as an excitation light source. Reference numeral 44 denotes a regular polygon mirror that reflects the laser beam from the argon laser 14 and irradiates the laser beam in the normal direction of the surface of the electrophoresis gel 2. The rotation of the regular polygon mirror 44 causes the laser light, which is the excitation light, to scan the electrophoresis gel 2 in a direction orthogonal to the electrophoresis direction.

励起された核酸断片の蛍光ラベルからの蛍光光を受光
するために泳動ゲル2の一方の端面に光ファイバ束46の
一端面が泳動ゲル2の端面と対向するように設けられて
いる。泳動ゲル2の他方の端面、すなわち光ファイバ46
が設けられた端面とは反対側の端面、には蛍光光の受光
感度を高めるためにミラー48が設けられている。
One end face of the electrophoresis gel 2 is provided so that one end face of the optical fiber bundle 46 faces the end face of the electrophoresis gel 2 in order to receive fluorescent light from the fluorescent label of the excited nucleic acid fragment. The other end face of the electrophoresis gel 2, that is, the optical fiber 46
A mirror 48 is provided on the end face opposite to the end face provided with the mark 48 in order to increase the sensitivity of receiving fluorescent light.

光ファイバ束46の他端は束ねられて、その他端から出
た光が光電子増倍管52に入射するようになっている。
The other end of the optical fiber bundle 46 is bundled so that light emitted from the other end is incident on the photomultiplier tube 52.

光ファイバ束46と光電子増倍管52の間にはフィルタを
切り換える回転体50が設けられている。回転体50には蛍
光選択用の干渉フィルタ20と水のラマン散乱光選択用の
干渉フィルタ54とが設けられており、干渉フィルタ54に
は入射強度を調整するND(Neutral Density;減光)フィ
ルタ56が重ねて設けられている。
A rotator 50 for switching the filter is provided between the optical fiber bundle 46 and the photomultiplier tube 52. The rotator 50 is provided with an interference filter 20 for selecting fluorescence and an interference filter 54 for selecting Raman scattered light of water. The interference filter 54 has a neutral density (ND) filter for adjusting the incident intensity. 56 are provided in an overlapping manner.

本実施例では泳動ゲル2の上端のスロット10に注入す
るDNA断片試料は、そのプライマーを蛍光物質XRITCでラ
ベルしたものを使用する。XRITCは吸収ピークが582nmで
あり、発生する蛍光のピークが601nmである。この場
合、XRITCの蛍光波長601nmは水のラマン散乱である619n
m付近に近く、蛍光受光信号の背景は主としてこの水の
ラマン散乱によるものである。
In this embodiment, the DNA fragment sample to be injected into the slot 10 at the upper end of the electrophoresis gel 2 uses a primer whose label is labeled with a fluorescent substance XRITC. XRITC has an absorption peak at 582 nm and a generated fluorescence peak at 601 nm. In this case, the XRITC fluorescence wavelength 601 nm is Raman scattering of water 619n
Near m, the background of the fluorescence reception signal is mainly due to Raman scattering of the water.

本実施例では蛍光光とともに水のラマン散乱光が同じ
光電子増倍管52に混入してくるので、その水のラマン散
乱光成分を干渉フィルタ54によって取り出して測定す
る。
In this embodiment, the Raman scattered light of the water is mixed into the same photomultiplier tube 52 together with the fluorescent light, and the Raman scattered light component of the water is extracted by the interference filter 54 and measured.

58は光電子増倍管52の出力信号を増幅する増幅器であ
り、増幅器58の出力はA/D変換器38でデジタル信号に変
換されてマイクロコンピュータ40に取り込まれる。マイ
クロコンピュータ40はまた、回転機構60によってフィル
タの回転体50を回転させる。
Reference numeral 58 denotes an amplifier for amplifying the output signal of the photomultiplier tube 52. The output of the amplifier 58 is converted into a digital signal by the A / D converter 38 and taken into the microcomputer 40. The microcomputer 40 also rotates the rotating body 50 of the filter by the rotating mechanism 60.

正多角形ミラー44と泳動ゲル2の間にはハーフミラー
62が設けられており、泳動ゲル2に照射される励起光の
一部がハーフミラー62で取り出されて位置センサ64に入
力され、位置センサ64の検出信号がマイクロコンピュー
タ40に取り込まれることによって、励起光の照射位置が
検出される。位置センサ64としては例えば半導体位置セ
ンサであるS-1352(浜松ホトニクス社の商品)などを用
いることができる。
Half mirror between regular polygon mirror 44 and running gel 2
62 is provided, a part of the excitation light applied to the electrophoresis gel 2 is taken out by the half mirror 62 and input to the position sensor 64, and the detection signal of the position sensor 64 is taken into the microcomputer 40, The irradiation position of the excitation light is detected. As the position sensor 64, for example, a semiconductor position sensor S-1352 (a product of Hamamatsu Photonics) or the like can be used.

光ファイバ束46としては例えばESKA(三菱レーヨン株
式会社の商品)を用いることができる。
As the optical fiber bundle 46, for example, ESKA (a product of Mitsubishi Rayon Co., Ltd.) can be used.

次に、本実施例の動作について説明する。 Next, the operation of the present embodiment will be described.

DNA断片試料を泳動ゲル2中に電気泳動させ、アルゴ
ンレーザ14からの励起光を正多角形ミラー44の回転によ
って走査し、光ファイバ束46を経て光電子増倍管52で信
号を検出すると、蛍光光に比べて水のラマン散乱は非常
に強い。そこでNDフィルタ56を選択することによって、
泳動ゲル2に蛍光物質が全くないときに光電子増倍管52
から検出される信号が、蛍光用干渉フィルタ20を通して
得た信号と水のラマン波長用干渉フィルタ54を通して得
た信号とで同じ強さになるように調整する。
The DNA fragment sample is electrophoresed in the electrophoresis gel 2, the excitation light from the argon laser 14 is scanned by the rotation of the regular polygon mirror 44, and the signal is detected by the photomultiplier 52 through the optical fiber bundle 46, and the fluorescence is detected. Raman scattering of water is much stronger than light. So by selecting the ND filter 56,
When there is no fluorescent substance in the electrophoresis gel 2, the photomultiplier 52
Is adjusted so that the signal obtained through the interference filter for fluorescence 20 and the signal obtained through the interference filter for Raman wavelength 54 of water have the same strength.

そしてまず、正多角形ミラー44をある角度で少しの時
間固定し、その間に干渉フィルタ20と干渉フィルタ54を
切り換えて蛍光成分とラマン散乱光成分を測光し、その
結果をマイクロコンピュータ40で引算し、その演算結果
を蛍光の信号とする。
First, the regular polygon mirror 44 is fixed at a certain angle for a short period of time, during which the interference filter 20 and the interference filter 54 are switched to measure the fluorescence component and the Raman scattered light component, and the result is subtracted by the microcomputer 40. Then, the calculation result is used as a fluorescence signal.

次に、順次正多角形ミラー44を回し、同じ動作を繰り
返して泳動のパターンを計算する。泳動のパターンがわ
かれば塩基配列の決定ができ、目的を達成することがで
きる。
Next, the regular polygon mirror 44 is sequentially turned, and the same operation is repeated to calculate a migration pattern. If the migration pattern is known, the base sequence can be determined, and the object can be achieved.

第2図では泳動ゲル2の端面からの蛍光光を光電子増
倍管52に導く装置として光ファイバ束46を用いている
が、この装置は単に泳動ゲル2の端面で蛍光光を受光し
て光電子増倍管52の光電面に導くためのものであるの
で、そのような機能を果すものであれば例えば光学的成
形品であってもよい。
In FIG. 2, the optical fiber bundle 46 is used as a device for guiding the fluorescent light from the end surface of the electrophoresis gel 2 to the photomultiplier tube 52, but this device simply receives the fluorescent light at the end surface of the electrophoresis gel 2 and Since it is for guiding to the photocathode of the multiplier 52, an optical molded product may be used as long as it fulfills such a function.

本実施例によれば、蛍光の測定に大きな妨害となる励
起光のレーリー散乱の最も小さい90度方向での蛍光の受
光ができる。
According to this embodiment, it is possible to receive the fluorescence in the 90-degree direction where the Rayleigh scattering of the excitation light, which greatly hinders the measurement of the fluorescence, is minimized.

第2図の実施例におけるフィルタの回転体50や光電子
増倍管52を含む光学系及びデータ処理部を第1図におけ
るダイクロイックミラー24,26、干渉フィルタ20、光電
子増倍管22,28を含む光学系及びデータ処理部と置き換
えるなど、その他の機構についても第1図の実施例と第
2図の実施例を適宜組み合せて使用することができる。
The optical system including the rotating body 50 and the photomultiplier tube 52 of the filter in the embodiment of FIG. 2 and the data processing unit include the dichroic mirrors 24 and 26, the interference filter 20, and the photomultiplier tubes 22 and 28 in FIG. Other mechanisms, such as replacing the optical system and the data processing unit, can be used by appropriately combining the embodiment of FIG. 1 and the embodiment of FIG.

第1図の実施例では背景光の変動を除去するために励
起光成分を検出し、第2図の実施例では水のラマン散乱
光成分を検出するようにしているが、両成分を蛍光光と
ともにハーフミラーで取り出して検出するようにして
も、蛍光強度は励起光やラマン散乱光に比べて非常に小
さいので十分に目的を達成することができる。
In the embodiment of FIG. 1, the excitation light component is detected in order to remove the fluctuation of the background light, and in the embodiment of FIG. 2, the Raman scattering light component of the water is detected. In addition, even if the fluorescent light is taken out and detected by the half mirror, the purpose can be sufficiently achieved because the fluorescence intensity is much smaller than the excitation light or the Raman scattered light.

また実施例では標識色素として蛍光物質を用いている
が、蛍光物質に代えて燐光物質を用いることもできる
(特願昭62-862230号参照)。
In the examples, a fluorescent substance is used as the labeling dye, but a phosphorescent substance can be used instead of the fluorescent substance (see Japanese Patent Application No. 62-862230).

(発明の効果) 本発明では標識色素からの発光強度を検出した信号か
らその背景光の変動分を除去するようにしたので、微弱
な蛍光や燐光の検出時に問題となる背景光の変動の殆ん
どの成分が除かれ、S/N比が向上し、塩基配列の決定が
正確となる。
(Effects of the Invention) In the present invention, since the fluctuation of the background light is removed from the signal obtained by detecting the emission intensity from the labeling dye, most of the fluctuation of the background light which is a problem when detecting weak fluorescence or phosphorescence is detected. Most components are removed, the S / N ratio is improved, and the nucleotide sequence can be determined accurately.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図及び第2図はそれぞれデータ処理部等をブロック
図として示す実施例の概略斜視図、第3図は従来の塩基
配列決定装置を示す概略斜視図である。 2……泳動ゲル、4,6……電極槽、8……泳動電源、14
……アルゴンレーザ、16,24……ダイクロイックミラ
ー、18……対物レンズ、20,26,54……干渉フィルタ、2
2,28,52……光電子増倍管、30,32,58……増幅器、34…
…差動増幅器、40……マイクロコンピュータ、42……駆
動機構、44……正多角形ミラー、46……光ファイバ束、
60……回転機構、62……ハーフミラー、64……位置セン
サ。
1 and 2 are schematic perspective views of an embodiment showing a data processing section and the like as block diagrams, respectively, and FIG. 3 is a schematic perspective view showing a conventional base sequence determination device. 2 ... electrophoresis gel, 4,6 ... electrode tank, 8 ... electrophoresis power supply, 14
…… Argon laser, 16,24 …… Dichroic mirror, 18 …… Objective lens, 20,26,54 …… Interference filter, 2
2,28,52 …… Photomultiplier tube, 30,32,58 …… Amplifier, 34…
... Differential amplifier, 40 ... Microcomputer, 42 ... Drive mechanism, 44 ... Polygonal mirror, 46 ... Optical fiber bundle,
60 rotation mechanism, 62 half mirror, 64 position sensor.

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】標識色素によりラベルされた核酸断片を泳
動ゲルに電気泳動させる機構と、前記泳動ゲルに励起光
ビームを照射する機構と、励起光ビームにより照射され
た部分からの光を受光する第1の受光部と、この第1の
受光部で受光される光の一部から励起波長成分及び水の
ラマン散乱波長成分の少なくとも一方を取り出す光学系
と、この光学系により取り出された光を受光する第2の
受光部と、第2の受光部のレベルを調整する可変抵抗
と、前記第1の受光部の出力から前記第2の受光部の出
力に比例した量を引算して標識色素の発光強度を算出
し、この発光強度をもとにして核酸の塩基配列を決定す
るデータ処理部とを備えた塩基配列決定装置。
1. A mechanism for electrophoresing a nucleic acid fragment labeled with a labeling dye on a migration gel, a mechanism for irradiating the migration gel with an excitation light beam, and receiving light from a portion irradiated by the excitation light beam. A first light receiving unit, an optical system that extracts at least one of an excitation wavelength component and a Raman scattering wavelength component of water from a part of the light received by the first light receiving unit, and a light that is extracted by the optical system. A second light receiving section for receiving light, a variable resistor for adjusting the level of the second light receiving section, and a sign obtained by subtracting an amount proportional to the output of the second light receiving section from the output of the first light receiving section. A base sequence determination device comprising: a data processing unit that calculates the emission intensity of the dye and determines the base sequence of the nucleic acid based on the emission intensity.
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