JP2909216B2 - 核酸増幅生成物のリアルタイム検出装置 - Google Patents
核酸増幅生成物のリアルタイム検出装置Info
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- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
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Description
【発明の詳細な説明】 本発明は、広くは、核酸増幅（nucleic acid amplifi
cation）の分野に関し、より詳しくは、ポリメラーゼ連
鎖反応（polymerase chain reaction;PCR）のような核
酸増幅法からポリヌクレオチド生成物をリアルタイムに
測定する装置に関する。
cation）の分野に関し、より詳しくは、ポリメラーゼ連
鎖反応（polymerase chain reaction;PCR）のような核
酸増幅法からポリヌクレオチド生成物をリアルタイムに
測定する装置に関する。
背景 核酸連続分析は、多くの研究分野、医療分野及び産業
分野において重要性が増している。例えば、Caskeyの
「サイエンス（Science）236」（1987年）第1223〜1228
頁;Landegren等の「サイエンス（Science）242」（1988
年、第229〜237頁）；及びArnheim等の「年刊評論誌生
化学（Ann.Rev.Biochem.）61」（1992年、第131〜156
頁）を参照されたい。幾つかの核酸増幅体系の発展は、
この傾向に重要な役割を演じてきた。例えば、ポリメラ
ーゼ連鎖反応（PCR）については、Innis等の「PCRプロ
トコル（PCR Protocols）」（Academic Press社、ニュ
ーヨーク、1991年）;McPherson等の「PCR:実際的適用
（PCR:A Practical Approach）」（IRL Press社、オッ
クスフォード、1991年）を、連結反応ベース増幅技術に
ついては、Baranyの「PCR法及びその適用（PCR Method
and Applications）１」（1991年、第５〜16頁）等を参
照されたい。
分野において重要性が増している。例えば、Caskeyの
「サイエンス（Science）236」（1987年）第1223〜1228
頁;Landegren等の「サイエンス（Science）242」（1988
年、第229〜237頁）；及びArnheim等の「年刊評論誌生
化学（Ann.Rev.Biochem.）61」（1992年、第131〜156
頁）を参照されたい。幾つかの核酸増幅体系の発展は、
この傾向に重要な役割を演じてきた。例えば、ポリメラ
ーゼ連鎖反応（PCR）については、Innis等の「PCRプロ
トコル（PCR Protocols）」（Academic Press社、ニュ
ーヨーク、1991年）;McPherson等の「PCR:実際的適用
（PCR:A Practical Approach）」（IRL Press社、オッ
クスフォード、1991年）を、連結反応ベース増幅技術に
ついては、Baranyの「PCR法及びその適用（PCR Method
and Applications）１」（1991年、第５〜16頁）等を参
照されたい。
特に、PCRは、クローン化、遺伝子表現の分析、DNA塩
基配列決定、遺伝子地図、薬剤発見等への適用において
非常に重要な研究手段となっている。例えば、Arnheim
等の上記文献;Gilliland等の「Proc.Natl.Acad.Sci.,8
7」（1990年、2725〜2729頁）;Bevan等の「PCR法及びそ
の適用１」（1992年、222〜228頁）;Green等の「PCR法
及びその適用１」（1991年、77〜90頁）；及びBlackwel
l等の「サイエンス250」（1990年、1104〜1110頁）を参
照されたい。
基配列決定、遺伝子地図、薬剤発見等への適用において
非常に重要な研究手段となっている。例えば、Arnheim
等の上記文献;Gilliland等の「Proc.Natl.Acad.Sci.,8
7」（1990年、2725〜2729頁）;Bevan等の「PCR法及びそ
の適用１」（1992年、222〜228頁）;Green等の「PCR法
及びその適用１」（1991年、77〜90頁）；及びBlackwel
l等の「サイエンス250」（1990年、1104〜1110頁）を参
照されたい。
核酸増幅、特にPCRを実施するための非常に多くの器
具が開発されている。例えば、Johnson等の米国特許第
5,038,852号（「コンピュータ制御形熱サイクラー（Com
puter−controlled thermal cycler）」）;Wittwer等の
「核酸研究（Nucleic Acids Reserch）17」（1989年、4
353〜4357頁）（キャピラリチューブPCR）;Hallsbyの米
国特許第5,187,084号（「空気ベース温度制御（air−ba
sed temperature control）」）;Garner等の「バイオ技
術（Biotechniques）14」（1993年、第112〜115頁）（8
64枚のウェル板における高スループットPCR）;Wilding
等の国際出願第PCT/US93/04039号（「微細加工構造にお
けるPCR（PCR in micro−machined structure）」）;Sc
hnipelsky等の欧州特許第90301061.1（公開番号第03815
01 A2号）（「使い捨て形単一使用PCR装置（disposabl
e,single use PCR device）」）等を参照されたい。PCR
器具開発に重要な設計目的の基礎として、微細温度制
御、多試料熱サイクリングにおける試料−試料変異性
（sample−to−sample variability）の最小化、前／後
PCR処理段階の自動化、高速サイクリング、試料体積の
最小化、増幅生成物のリアルタイム測定、相互汚染又は
試料排出の最小化等がある。より詳しくは、PCRを閉鎖
反応チャンバ内で行ない且つリアルタイムにモニタリン
グできる器具の設計が強く望まれている。閉反応チャン
バは相互汚染を防止する上で好ましい。例えば、Higuch
i等の「バイオテクノロジー（Biotechnology）10」（19
92年、第413〜417頁）及び「バイオテクノロジー11」
（1993年、1026〜1030頁）；及びHolland等の「Proc.Na
tl.Acad.Sci.88」（1991年、第7276〜7280頁）を参照さ
れたい。このような設計目的の成功裏の実現は、高頻度
の偽陽性及び偽陰性によってPCRベース処置の価値を極
めて低下させる虞れのある診断試料の分析に特に望まれ
ることは明らかである。濃い濃度の相対値は、PCR中に
相対濃度値のヒストリーを考慮に入れることにより求め
られるため、PCRのリアルタイムモニタリングにより、
多ターゲット増幅（multi−target amplification）に
おける出発ターゲットDNA濃度の一層正確な定量化が可
能になる。また、リアルタイムモニタリングは、PCRイ
ンヒビターが試料中に存在するか否かを示すPCRの効率
を評価することを可能にする。
具が開発されている。例えば、Johnson等の米国特許第
5,038,852号（「コンピュータ制御形熱サイクラー（Com
puter−controlled thermal cycler）」）;Wittwer等の
「核酸研究（Nucleic Acids Reserch）17」（1989年、4
353〜4357頁）（キャピラリチューブPCR）;Hallsbyの米
国特許第5,187,084号（「空気ベース温度制御（air−ba
sed temperature control）」）;Garner等の「バイオ技
術（Biotechniques）14」（1993年、第112〜115頁）（8
64枚のウェル板における高スループットPCR）;Wilding
等の国際出願第PCT/US93/04039号（「微細加工構造にお
けるPCR（PCR in micro−machined structure）」）;Sc
hnipelsky等の欧州特許第90301061.1（公開番号第03815
01 A2号）（「使い捨て形単一使用PCR装置（disposabl
e,single use PCR device）」）等を参照されたい。PCR
器具開発に重要な設計目的の基礎として、微細温度制
御、多試料熱サイクリングにおける試料−試料変異性
（sample−to−sample variability）の最小化、前／後
PCR処理段階の自動化、高速サイクリング、試料体積の
最小化、増幅生成物のリアルタイム測定、相互汚染又は
試料排出の最小化等がある。より詳しくは、PCRを閉鎖
反応チャンバ内で行ない且つリアルタイムにモニタリン
グできる器具の設計が強く望まれている。閉反応チャン
バは相互汚染を防止する上で好ましい。例えば、Higuch
i等の「バイオテクノロジー（Biotechnology）10」（19
92年、第413〜417頁）及び「バイオテクノロジー11」
（1993年、1026〜1030頁）；及びHolland等の「Proc.Na
tl.Acad.Sci.88」（1991年、第7276〜7280頁）を参照さ
れたい。このような設計目的の成功裏の実現は、高頻度
の偽陽性及び偽陰性によってPCRベース処置の価値を極
めて低下させる虞れのある診断試料の分析に特に望まれ
ることは明らかである。濃い濃度の相対値は、PCR中に
相対濃度値のヒストリーを考慮に入れることにより求め
られるため、PCRのリアルタイムモニタリングにより、
多ターゲット増幅（multi−target amplification）に
おける出発ターゲットDNA濃度の一層正確な定量化が可
能になる。また、リアルタイムモニタリングは、PCRイ
ンヒビターが試料中に存在するか否かを示すPCRの効率
を評価することを可能にする。
上記Holland等の「Proc.Natl.Acad.Sci.88」及び他の
文献には、PCR中に増幅生成物のリアルタイム測定を行
なう蛍光ベースアプローチが提案されている。このよう
なアプローチとして、（臭化エチジウムのような）挿入
染料（ｉ−ntercalating dyes）を用いて、存在する二
重鎖DNAの量を表示するもの、又は、蛍光生成物（その
濃度は存在する二重鎖DNAの量に比例する）を放出させ
るため増幅中に切断される蛍光発光−消光対を含むプロ
ーブを用いるもの（いわゆる「タック−マン（Tac−Ma
n）」アプローチ）がある。
文献には、PCR中に増幅生成物のリアルタイム測定を行
なう蛍光ベースアプローチが提案されている。このよう
なアプローチとして、（臭化エチジウムのような）挿入
染料（ｉ−ntercalating dyes）を用いて、存在する二
重鎖DNAの量を表示するもの、又は、蛍光生成物（その
濃度は存在する二重鎖DNAの量に比例する）を放出させ
るため増幅中に切断される蛍光発光−消光対を含むプロ
ーブを用いるもの（いわゆる「タック−マン（Tac−Ma
n）」アプローチ）がある。
残念なことに、要求される蛍光測定は非常に高い蛍光
バックグラウンドに対して行なわなくてはならないの
で、これらのアプローチの成功裏の実施は妨げられてい
る。かくして、加熱サイクル及び冷却サイクル中のチャ
ンバ内の凝縮の形成、光路内での気泡、溶液中の粒子又
は屑片の形成、試料体積の差異（従って、信号の発生及
び吸収の差異）等の小さな器具雑音源であっても、蛍光
信号の信頼性のある測定を妨げている。
バックグラウンドに対して行なわなくてはならないの
で、これらのアプローチの成功裏の実施は妨げられてい
る。かくして、加熱サイクル及び冷却サイクル中のチャ
ンバ内の凝縮の形成、光路内での気泡、溶液中の粒子又
は屑片の形成、試料体積の差異（従って、信号の発生及
び吸収の差異）等の小さな器具雑音源であっても、蛍光
信号の信頼性のある測定を妨げている。
以上から、利用できる任意の核酸増幅体系から得られ
る増幅生成物の蛍光指標（fluorescent indicators）の
安定し且つ信頼性のあるリアルタイム測定が可能な装置
を提供することが望まれている。
る増幅生成物の蛍光指標（fluorescent indicators）の
安定し且つ信頼性のあるリアルタイム測定が可能な装置
を提供することが望まれている。
発明の要約 本発明は、核酸増幅生成物のリアルタイム蛍光ベース
測定を行なう装置に関する。本発明の好ましい実施例で
は、励起ビームは反応混合物中に合焦され、該反応混合
物は、（ｉ）第１蛍光信号を発生できる第１蛍光指標を
含有し、第１蛍光信号の強度は、励起ビームにより照射
される反応混合物の体積中の増幅生成物の量に強度が比
例し、（ii）励起ビームにより照射される反応混合物の
体積に比例する第２蛍光信号を発生できる反応混合物の
全体に亘って均質に分散される第２蛍光指標を含有す
る。蛍光強度の比例性は、有機染料の蛍光発光に独立的
に影響を与える温度、pH、塩濃度等のパラメータの一定
の組に対して定まる。
測定を行なう装置に関する。本発明の好ましい実施例で
は、励起ビームは反応混合物中に合焦され、該反応混合
物は、（ｉ）第１蛍光信号を発生できる第１蛍光指標を
含有し、第１蛍光信号の強度は、励起ビームにより照射
される反応混合物の体積中の増幅生成物の量に強度が比
例し、（ii）励起ビームにより照射される反応混合物の
体積に比例する第２蛍光信号を発生できる反応混合物の
全体に亘って均質に分散される第２蛍光指標を含有す
る。蛍光強度の比例性は、有機染料の蛍光発光に独立的
に影響を与える温度、pH、塩濃度等のパラメータの一定
の組に対して定まる。
好ましくは、励起ビームは、反応混合物を収容する閉
鎖反応チャンバの壁の部分を通って、レンズにより反応
混合物中に合焦される。更に好ましくは、励起ビームに
応答してそれぞれ第１及び第２蛍光指標により発生され
る第１及び第２蛍光信号を収集するのに、同じレンズが
使用される。かくして、励起光学部品と収集光学部品と
の不整合による収集信号の変異性が防止される。この実
施例では、レンズが、励起ビームを、反応混合物とは接
触していない閉鎖反応チャンバの壁の部分を通るように
向ける。壁の前記部分は、レンズにより収集される蛍光
信号の光路内に反応混合物からの凝縮が形成されないよ
うに加熱され、これにより、収集される信号中の別の変
異性の原因が除去される。
鎖反応チャンバの壁の部分を通って、レンズにより反応
混合物中に合焦される。更に好ましくは、励起ビームに
応答してそれぞれ第１及び第２蛍光指標により発生され
る第１及び第２蛍光信号を収集するのに、同じレンズが
使用される。かくして、励起光学部品と収集光学部品と
の不整合による収集信号の変異性が防止される。この実
施例では、レンズが、励起ビームを、反応混合物とは接
触していない閉鎖反応チャンバの壁の部分を通るように
向ける。壁の前記部分は、レンズにより収集される蛍光
信号の光路内に反応混合物からの凝縮が形成されないよ
うに加熱され、これにより、収集される信号中の別の変
異性の原因が除去される。
最も好ましい実施例では、反応チャンバは、閉鎖端部
（ここではチューブの底部と呼ぶ）と、開放端部（ここ
ではチューブの頂部と呼ぶ。漏洩防止シールが形成され
るようにキャップで閉鎖できる）とを有する。換言すれ
ば、ひとたび反応混合物をチューブ内に入れてキャップ
を取り付ければ、閉鎖反応チャンバが形成される。この
最も好ましい実施例では、（１）反応混合物がチューブ
の一部（一般には、チューブの底部）を充填し、チュー
ブのキャップと反応混合物の頂面との間に空所が残され
るようにし、（２）チューブの壁はつや消しにし（すな
わち、光を伝達し且つ散乱する材料でチューブの壁を作
り）、（３）レンズは、キャップに接触することなく、
キャップを通る励起ビームを、反応混合物の頂面を通し
て反応混合物中に合焦させ且つ第１及び第２蛍光指標に
より発生される蛍光を収集する。上記のように、励起ビ
ームが通るチューブの部分（この実施例ではキャップ）
は、収集される蛍光信号の測定における変異性の付加原
因ともなる凝縮の形成を防止すべく加熱される。第１及
び第２蛍光信号の連続的分析からじることがある潜在的
変異性は、例えば荷電結合素子（CCD）配列上に信号を
回折して、信号光をフォト検出器の配列上にスペクトル
的に分離し、信号を同時に分析することにより無くすこ
とができる。
（ここではチューブの底部と呼ぶ）と、開放端部（ここ
ではチューブの頂部と呼ぶ。漏洩防止シールが形成され
るようにキャップで閉鎖できる）とを有する。換言すれ
ば、ひとたび反応混合物をチューブ内に入れてキャップ
を取り付ければ、閉鎖反応チャンバが形成される。この
最も好ましい実施例では、（１）反応混合物がチューブ
の一部（一般には、チューブの底部）を充填し、チュー
ブのキャップと反応混合物の頂面との間に空所が残され
るようにし、（２）チューブの壁はつや消しにし（すな
わち、光を伝達し且つ散乱する材料でチューブの壁を作
り）、（３）レンズは、キャップに接触することなく、
キャップを通る励起ビームを、反応混合物の頂面を通し
て反応混合物中に合焦させ且つ第１及び第２蛍光指標に
より発生される蛍光を収集する。上記のように、励起ビ
ームが通るチューブの部分（この実施例ではキャップ）
は、収集される蛍光信号の測定における変異性の付加原
因ともなる凝縮の形成を防止すべく加熱される。第１及
び第２蛍光信号の連続的分析からじることがある潜在的
変異性は、例えば荷電結合素子（CCD）配列上に信号を
回折して、信号光をフォト検出器の配列上にスペクトル
的に分離し、信号を同時に分析することにより無くすこ
とができる。
後でより完全に述べるように、単一光源（例えばレー
ザ）により発生される励起ビームは、光ファイバによ
り、複数の閉鎖反応チャンバに便利に分散される。同様
に、複数の反応チャンバからの蛍光信号を同じ光ファイ
バで収集し、単一の検出／分析装置により分析すること
もできる。
ザ）により発生される励起ビームは、光ファイバによ
り、複数の閉鎖反応チャンバに便利に分散される。同様
に、複数の反応チャンバからの蛍光信号を同じ光ファイ
バで収集し、単一の検出／分析装置により分析すること
もできる。
装置には核酸のPCR増幅を用いるのが好ましい。
本発明の装置は、増幅生成物の量に比例し且つ反応混
合物の体積の変化とは無関係に安定した蛍光信号を発生
する装置及び蛍光試薬を設けることにより、核酸増幅反
応の正確なリアルタイムモニタリングを可能にする。増
幅反応の進行を示すデータが入手できると、目標核酸の
相対出発濃度のより正確な見積り及び増幅反応の効率の
迅速な評価が可能になり、且つ少量の試薬の使用及びフ
ィードバック反応制御の可能性が開かれる。
合物の体積の変化とは無関係に安定した蛍光信号を発生
する装置及び蛍光試薬を設けることにより、核酸増幅反
応の正確なリアルタイムモニタリングを可能にする。増
幅反応の進行を示すデータが入手できると、目標核酸の
相対出発濃度のより正確な見積り及び増幅反応の効率の
迅速な評価が可能になり、且つ少量の試薬の使用及びフ
ィードバック反応制御の可能性が開かれる。
図面の簡単な説明 第１図は、本発明の装置の試料インターフェース部品
の好ましい実施例を示す概略図である。
の好ましい実施例を示す概略図である。
第２図は、光ファイバマルチプレクサを介して連続的
識別反応により複数の増幅反応を同時モニタリングする
好ましい実施例を示す概略図である。
識別反応により複数の増幅反応を同時モニタリングする
好ましい実施例を示す概略図である。
第３図は、テトラメチルローダミン蛍光指標、フルオ
レセイン蛍光指標、及び後述の好ましい実施例のCCD配
列により自記される機器バックグラウンドに関するスペ
クトル的に分離された蛍光強度データを示す図面であ
る。
レセイン蛍光指標、及び後述の好ましい実施例のCCD配
列により自記される機器バックグラウンドに関するスペ
クトル的に分離された蛍光強度データを示す図面であ
る。
第４図は、増幅生成物（第１蛍光指標）に比例するフ
ルオレセイン染料及び一般的なPCR中に第２蛍光指標と
して用いられるテトラメチルローダミン染料からの蛍光
信号の時間依存を示す図面である。
ルオレセイン染料及び一般的なPCR中に第２蛍光指標と
して用いられるテトラメチルローダミン染料からの蛍光
信号の時間依存を示す図面である。
第５図は、フルオレセインの強度と、同じPCRからの
テトラメチルローダミン染料（その時間依存データが第
３図に示されている）の強度との比のサイクル依存を示
す図面である。
テトラメチルローダミン染料（その時間依存データが第
３図に示されている）の強度との比のサイクル依存を示
す図面である。
第６図は、同じ目標核酸の異なる出発濃度をもつ別々
のPCRのサイクル数に対する増幅生成物の量に関するデ
ータを示す図面である。
のPCRのサイクル数に対する増幅生成物の量に関するデ
ータを示す図面である。
定義 本願明細書で蛍光信号に関して使用する用語「安定
（stable）」は、雑音（ノイズ）による平方２乗偏差の
平方根（root means square（RMS）deviation）が平均
信号の大きさの２％以下であることを意味する。より好
ましくは、「安定」は、雑音による信号のRMS偏差が平
均信号の大きさの１％以下であることを意味する。
（stable）」は、雑音（ノイズ）による平方２乗偏差の
平方根（root means square（RMS）deviation）が平均
信号の大きさの２％以下であることを意味する。より好
ましくは、「安定」は、雑音による信号のRMS偏差が平
均信号の大きさの１％以下であることを意味する。
発明の詳細な説明 本発明は、核酸増幅反応の進行をリアルタイムにモニ
タリングする蛍光ベース装置である。本発明の装置に使
用する増幅体系の形式は厳格でないが、一般に、装置
は、エキソヌクレアーゼ活性をもつ核酸ポリメラーゼ、
又はモニタリングする反応中に増加する二重鎖DNAの集
団の使用を必要とする。本発明の装置に使用できる増幅
体系の例として、Walker等の「核酸研究20」（1992年、
第1691〜1696頁）に記載されているように、PCR、リガ
ーゼ鎖反応（ligase chain reaction（LCR））のような
リガーゼベース増幅体系、Ｑβレプリカーゼベース増幅
体系、鎖置換増幅（SDA）等がある。核酸増幅体系につ
いての分かりやすい説明が、Keller及びManakの「DNAプ
ローブ（DNA Probes）」（第２版、Stockton Press社、
1993年、ニューヨーク）になされている。本発明の装置
に必須なことは、第１蛍光指標の蛍光強度と、ここで第
２第２蛍光指標と呼ぶ内部基準との比を測定することで
ある。第１蛍光指標及び第２蛍光指標は、スペクトル的
に分解できなくてはならない。すなわち、これらのそれ
ぞれの発光スペクトルがオーバーラップせず、結合スペ
クトル中に別々の発光ピークが充分観察されるものでな
くてはならない。一般に、装置には、例えば、複数の蛍
光強度比をモニタリングして、単一反応における幾つか
の目標核酸の同時増幅をモニタリングできるように、複
数の第１蛍光指標を与えることができる。Fung等の米国
特許第4,855,225号、Menchen等の米国特許第5,188,934
号、Bergot等の国際出願PCT/US90/05565等には、このよ
うな実施例での使用に適したスペクトル的に分解可能な
幾つかの染料が開示されている。
タリングする蛍光ベース装置である。本発明の装置に使
用する増幅体系の形式は厳格でないが、一般に、装置
は、エキソヌクレアーゼ活性をもつ核酸ポリメラーゼ、
又はモニタリングする反応中に増加する二重鎖DNAの集
団の使用を必要とする。本発明の装置に使用できる増幅
体系の例として、Walker等の「核酸研究20」（1992年、
第1691〜1696頁）に記載されているように、PCR、リガ
ーゼ鎖反応（ligase chain reaction（LCR））のような
リガーゼベース増幅体系、Ｑβレプリカーゼベース増幅
体系、鎖置換増幅（SDA）等がある。核酸増幅体系につ
いての分かりやすい説明が、Keller及びManakの「DNAプ
ローブ（DNA Probes）」（第２版、Stockton Press社、
1993年、ニューヨーク）になされている。本発明の装置
に必須なことは、第１蛍光指標の蛍光強度と、ここで第
２第２蛍光指標と呼ぶ内部基準との比を測定することで
ある。第１蛍光指標及び第２蛍光指標は、スペクトル的
に分解できなくてはならない。すなわち、これらのそれ
ぞれの発光スペクトルがオーバーラップせず、結合スペ
クトル中に別々の発光ピークが充分観察されるものでな
くてはならない。一般に、装置には、例えば、複数の蛍
光強度比をモニタリングして、単一反応における幾つか
の目標核酸の同時増幅をモニタリングできるように、複
数の第１蛍光指標を与えることができる。Fung等の米国
特許第4,855,225号、Menchen等の米国特許第5,188,934
号、Bergot等の国際出願PCT/US90/05565等には、このよ
うな実施例での使用に適したスペクトル的に分解可能な
幾つかの染料が開示されている。
本発明の装置は試料インターフェース（すなわち、閉
鎖反応チャンバと関連作動する光学部品）を有し、該試
料インターフェースは、反応混合物中に励起ビームを合
焦させ且つこの結果生じる蛍光を収集するためのレンズ
と、光源からレンズに向かう励起ビーム及びレンズから
検出／分析手段に向かう蛍光信号の両方を伝達するため
の光ファイバとを有している。試料の相互汚染（いわゆ
る「キャリーオーバ」）を防止するため、反応混合物は
閉鎖反応チャンバ内に収容するのが好ましい。従って、
レンズは、励起ビームを合焦させ且つ閉鎖反応チャンバ
の壁の一部を通して蛍光を収集する。上記のように、好
ましい反応チャンバは、例えば慣用的なエッペンドルフ
チューブ（Eppendorf tube）の幾何学的形状及び体積を
もつチューブである。チューブは、該チューブの開放端
にキャップを取り付けることにより反応混合物を添加し
た後に閉じられる。PCR用試料インターフェースの好ま
しい実施例では、レンズが、第１図に示すように、チュ
ーブのキャップを通して励起ビームを向け且つ蛍光を収
集する。例示の構造では、光ファイバ２の第１端部は、
フェルール４、ハウジング６及びレンズ８と同心状のプ
レート10内に保持されている。光ファイバの第２端部
（図示せず）は、後で詳述するように、光源及び検出／
分析手段と関連作動する。光ファイバ２の端面とレンズ
８との間の距離は、光ファイバの開口数、チューブ18の
幾何学的形状、レンズ８の焦点距離、レンズ８の直径等
を含む幾つかのファクタにより決定される。任意の特定
実施例におけるこのような変数の値を選択するガイダン
スは、光学設計に関する標準テキスト（例えば、「光学
ガイド（Optics Guide）５」（Mellers,Griot,Irvine
等。CA、1990年）等）において容易に見出される。例示
の実施例では、レンズ８は8mmの直径を有し且つEdmund
Scientific社（ニュージャージ州、Barrington）から市
販されている材料BK7で作られている。光ファイバ２
は、0.2の開口数を有する。この設計は、反応混合物22
への励起ビーム28の伝達が最大になるようにするのが好
ましい。例えば、レンズ８、光ファイバ２の開口数、及
び光ファイバ２とレンズ８との間の距離は、レンズ８の
直径が励起ビーム28の直径（励起ビーム28が第１図に示
すようにレンズに衝突するところの直径）に等しいか大
きくなるように選択される。励起ビーム28は、キャップ
16、空所24、反応混合物22の頂面26を通って、光ファイ
バの直径の約１〜３倍の領域（例えば、表面26から１〜
3mm下の領域）に合焦される。この合焦の度合いはこの
実施例の厳格な特徴ではなく、重要なことは商業的に入
手できる熱サイクラーの試料ホルダの幾何学的形状及び
寸法に試料インターフェースを適合させることである。
他の実施例では、反応混合物中により鋭く合焦させる幾
何学的形状及び寸法にすることができる。
鎖反応チャンバと関連作動する光学部品）を有し、該試
料インターフェースは、反応混合物中に励起ビームを合
焦させ且つこの結果生じる蛍光を収集するためのレンズ
と、光源からレンズに向かう励起ビーム及びレンズから
検出／分析手段に向かう蛍光信号の両方を伝達するため
の光ファイバとを有している。試料の相互汚染（いわゆ
る「キャリーオーバ」）を防止するため、反応混合物は
閉鎖反応チャンバ内に収容するのが好ましい。従って、
レンズは、励起ビームを合焦させ且つ閉鎖反応チャンバ
の壁の一部を通して蛍光を収集する。上記のように、好
ましい反応チャンバは、例えば慣用的なエッペンドルフ
チューブ（Eppendorf tube）の幾何学的形状及び体積を
もつチューブである。チューブは、該チューブの開放端
にキャップを取り付けることにより反応混合物を添加し
た後に閉じられる。PCR用試料インターフェースの好ま
しい実施例では、レンズが、第１図に示すように、チュ
ーブのキャップを通して励起ビームを向け且つ蛍光を収
集する。例示の構造では、光ファイバ２の第１端部は、
フェルール４、ハウジング６及びレンズ８と同心状のプ
レート10内に保持されている。光ファイバの第２端部
（図示せず）は、後で詳述するように、光源及び検出／
分析手段と関連作動する。光ファイバ２の端面とレンズ
８との間の距離は、光ファイバの開口数、チューブ18の
幾何学的形状、レンズ８の焦点距離、レンズ８の直径等
を含む幾つかのファクタにより決定される。任意の特定
実施例におけるこのような変数の値を選択するガイダン
スは、光学設計に関する標準テキスト（例えば、「光学
ガイド（Optics Guide）５」（Mellers,Griot,Irvine
等。CA、1990年）等）において容易に見出される。例示
の実施例では、レンズ８は8mmの直径を有し且つEdmund
Scientific社（ニュージャージ州、Barrington）から市
販されている材料BK7で作られている。光ファイバ２
は、0.2の開口数を有する。この設計は、反応混合物22
への励起ビーム28の伝達が最大になるようにするのが好
ましい。例えば、レンズ８、光ファイバ２の開口数、及
び光ファイバ２とレンズ８との間の距離は、レンズ８の
直径が励起ビーム28の直径（励起ビーム28が第１図に示
すようにレンズに衝突するところの直径）に等しいか大
きくなるように選択される。励起ビーム28は、キャップ
16、空所24、反応混合物22の頂面26を通って、光ファイ
バの直径の約１〜３倍の領域（例えば、表面26から１〜
3mm下の領域）に合焦される。この合焦の度合いはこの
実施例の厳格な特徴ではなく、重要なことは商業的に入
手できる熱サイクラーの試料ホルダの幾何学的形状及び
寸法に試料インターフェースを適合させることである。
他の実施例では、反応混合物中により鋭く合焦させる幾
何学的形状及び寸法にすることができる。
本発明のレンズは、特定実施例に従って種々の形状に
することができる。例えば、レンズは、例えばHlousek
の米国特許第5,037,199号、Hoppe等の米国特許第4,747,
87号、Morning等の米国特許第5,239,360号、Hirschfiel
dの米国特許第4,577,109号等に開示されているように、
球形、截頭球形、円筒形、截頭円筒形、偏球形、截頭偏
球形等の形状にし且つ任意の透明屈折材料で作ることが
できる。
することができる。例えば、レンズは、例えばHlousek
の米国特許第5,037,199号、Hoppe等の米国特許第4,747,
87号、Morning等の米国特許第5,239,360号、Hirschfiel
dの米国特許第4,577,109号等に開示されているように、
球形、截頭球形、円筒形、截頭円筒形、偏球形、截頭偏
球形等の形状にし且つ任意の透明屈折材料で作ることが
できる。
励起ビーム28により発生される蛍光は、励起ビーム28
により形成される光路とほぼ同じ光路に沿ってレンズ８
により収集され且つ光ファイバ２の端部上に合焦され
て、装置の光分離／分析部品に伝達される。
により形成される光路とほぼ同じ光路に沿ってレンズ８
により収集され且つ光ファイバ２の端部上に合焦され
て、装置の光分離／分析部品に伝達される。
励起ビーム及び反応混合物成分の凝縮からの信号の散
乱及び／又は吸収による変異性を低減させるには、光伝
達に使用される反応チャンバの壁の部分を加熱する手段
を試料インターフェースに設けることが好ましい。第１
図の実施例では、光伝達に使用される反応チャンバ（チ
ューブ18）の壁の部分はキャップ16である。従って、キ
ャップ16を加熱するのに、加熱要素12及び熱伝導プラテ
ン14が使用されている。加熱要素12は、抵抗加熱要素
と、キャップ16の温度のプログラム制御を可能にする温
度センサで構成するのが好ましい。キャップ16は、反応
混合物の成分の凝縮点より高い温度に維持される。一般
に、キャップ16は94〜110℃の範囲の温度に維持され
る。通常、反応混合物中の主要溶媒は水であるので、キ
ャップ16は約102〜105℃の範囲の温度に維持される。よ
り好ましくは、キャップ16は103℃に維持される。熱サ
イクリングを用いる実施例では、上記キャップ加熱部品
は、反応混合物22の温度を周期的に制御するのに使用さ
れる熱伝導部品20から断熱しておくのが好ましい。
乱及び／又は吸収による変異性を低減させるには、光伝
達に使用される反応チャンバの壁の部分を加熱する手段
を試料インターフェースに設けることが好ましい。第１
図の実施例では、光伝達に使用される反応チャンバ（チ
ューブ18）の壁の部分はキャップ16である。従って、キ
ャップ16を加熱するのに、加熱要素12及び熱伝導プラテ
ン14が使用されている。加熱要素12は、抵抗加熱要素
と、キャップ16の温度のプログラム制御を可能にする温
度センサで構成するのが好ましい。キャップ16は、反応
混合物の成分の凝縮点より高い温度に維持される。一般
に、キャップ16は94〜110℃の範囲の温度に維持され
る。通常、反応混合物中の主要溶媒は水であるので、キ
ャップ16は約102〜105℃の範囲の温度に維持される。よ
り好ましくは、キャップ16は103℃に維持される。熱サ
イクリングを用いる実施例では、上記キャップ加熱部品
は、反応混合物22の温度を周期的に制御するのに使用さ
れる熱伝導部品20から断熱しておくのが好ましい。
上記のように、チューブ18の壁はつや消しにし、熱伝
導部品20の壁からのあらゆる偽反射を拡散又は散乱させ
て、このような反射によって信号が集合する傾向を低減
させるのが好ましい。
導部品20の壁からのあらゆる偽反射を拡散又は散乱させ
て、このような反射によって信号が集合する傾向を低減
させるのが好ましい。
通常、エッチング又は粗面化加工により、半透明又は
透明なチューブの壁が便利につや消しされる。
透明なチューブの壁が便利につや消しされる。
上記部品に適した材料の選択は通常の機械技術者の良
く知るところである。材料選択の基準例として、（ｉ）
特に熱サイクリングを用いた増幅体系に対する熱膨張の
度合い及び光学部品の整合に及ぼすその影響、（ii）励
起波長及び使用する蛍光物質の発光波長の光伝達特性、
（iii）反応混合物の成分に対する反応チャンバの化学
的不活性度合い、（iv）例えばポリメラーゼ、目標核酸
等の重要な反応成分がチャンバ壁上に吸着される度合
い、（ｖ）光路内での蛍光材料の最小化等がある。一般
に、増幅反応混合物を収容するチューブは、ポリプロピ
レン等の材料で作られる。
く知るところである。材料選択の基準例として、（ｉ）
特に熱サイクリングを用いた増幅体系に対する熱膨張の
度合い及び光学部品の整合に及ぼすその影響、（ii）励
起波長及び使用する蛍光物質の発光波長の光伝達特性、
（iii）反応混合物の成分に対する反応チャンバの化学
的不活性度合い、（iv）例えばポリメラーゼ、目標核酸
等の重要な反応成分がチャンバ壁上に吸着される度合
い、（ｖ）光路内での蛍光材料の最小化等がある。一般
に、増幅反応混合物を収容するチューブは、ポリプロピ
レン等の材料で作られる。
第１図に示す試料インターフェースは個々に使用する
か、第２図に概略的に示すような単一器具における複数
の同一インターフェースのうちの１つとして使用するこ
とができる。図示の実施例では、ホルダ30（該ホルダ30
は、例えば、Mossa等の欧州特許出願第91311090.4号
（公開番号第0488769 A2号）に記載された熱サイクラー
32に関連する加熱ブロックで構成できる）に配列された
個々の試料インターフェース31は、光ファイバ34により
光ファイバマルチプレクサ36に連結され、該光ファイバ
マルチプレクサは、例えばプログラムされたマイクロプ
ロセッサによる制御の下で、個々の光ファイバとポート
35との間で選択的に伝達できるようにする。好ましい構
造では、光源52及びコントローラ54により発生された励
起ビーム41は、ビームスプリッタ40を通り且つレンズ38
によりポート35上に合焦される。ここで、励起ビーム41
は、光ファイバマルチプレクサ36により、所定組（又は
副組）の光ファイバ34の各々に向けられる。逆に、反応
チャンバ内で発生された蛍光信号は、レンズ８により収
集され且つ光ファイバ上に合焦される。次に、光ファイ
バは、蛍光信号を、可能ならば光ファイバマルチプレク
サを介して、検出／分析手段に伝達する。第２図に戻っ
て説明すると、試料インターフェースにより収集された
蛍光信号は、光ファイバマルチプレクサ36に向けられ、
ポート35を通って光ファイバマルチプレクサ36から出
て、レンズ38により収集され且つ光軸に対して平行にさ
れる。レンズ38は、蛍光信号をビームスプリッタ40に向
かわせ、該ビームスプリッタ40は蛍光信号を選択的にカ
ットオフフィルタ42に向かわせる。カットオフフィルタ
42は、励起ビームからの光が信号検出部品に到達するこ
とを防止する。ビームスプリッタ40は、慣用的なダイク
ロイックミラー又は励起ビームが通る孔を備えた完全反
射ミラー（例えば、米国特許第4,577,109号に開示され
ているようなミラー）等で構成できる。カットオフフィ
ルタ42を通過後、蛍光信号はレンズ44によりスペクトル
分析器に導かれる。スペクトル分析器は、蛍光信号をス
ペクトル的に分離し且つ信号の複数のスペクトル成分の
強度を測定する。一般に、スペクトル分析器は、蛍光信
号をそのスペクトル成分に分離するためのプリズムのよ
うなスペクトル部品及び回折格子等と、ダイオード配
列、荷電結合素子（CCD）装置、バンドパスフィルタの
配列及び光電子増倍管等のフォト検出器の配列とからな
る。第２図の好ましい実施例では、スペクトル分析器
は、回折格子46（例えば、ニュージャージ州、Jobin−Y
von社のモデルCP−140）及びCCDコントローラ50にリン
クされたCCD配列48（例えば、ニュージャージ州、Princ
eton Instruments社のモデルS2135）からなる。
か、第２図に概略的に示すような単一器具における複数
の同一インターフェースのうちの１つとして使用するこ
とができる。図示の実施例では、ホルダ30（該ホルダ30
は、例えば、Mossa等の欧州特許出願第91311090.4号
（公開番号第0488769 A2号）に記載された熱サイクラー
32に関連する加熱ブロックで構成できる）に配列された
個々の試料インターフェース31は、光ファイバ34により
光ファイバマルチプレクサ36に連結され、該光ファイバ
マルチプレクサは、例えばプログラムされたマイクロプ
ロセッサによる制御の下で、個々の光ファイバとポート
35との間で選択的に伝達できるようにする。好ましい構
造では、光源52及びコントローラ54により発生された励
起ビーム41は、ビームスプリッタ40を通り且つレンズ38
によりポート35上に合焦される。ここで、励起ビーム41
は、光ファイバマルチプレクサ36により、所定組（又は
副組）の光ファイバ34の各々に向けられる。逆に、反応
チャンバ内で発生された蛍光信号は、レンズ８により収
集され且つ光ファイバ上に合焦される。次に、光ファイ
バは、蛍光信号を、可能ならば光ファイバマルチプレク
サを介して、検出／分析手段に伝達する。第２図に戻っ
て説明すると、試料インターフェースにより収集された
蛍光信号は、光ファイバマルチプレクサ36に向けられ、
ポート35を通って光ファイバマルチプレクサ36から出
て、レンズ38により収集され且つ光軸に対して平行にさ
れる。レンズ38は、蛍光信号をビームスプリッタ40に向
かわせ、該ビームスプリッタ40は蛍光信号を選択的にカ
ットオフフィルタ42に向かわせる。カットオフフィルタ
42は、励起ビームからの光が信号検出部品に到達するこ
とを防止する。ビームスプリッタ40は、慣用的なダイク
ロイックミラー又は励起ビームが通る孔を備えた完全反
射ミラー（例えば、米国特許第4,577,109号に開示され
ているようなミラー）等で構成できる。カットオフフィ
ルタ42を通過後、蛍光信号はレンズ44によりスペクトル
分析器に導かれる。スペクトル分析器は、蛍光信号をス
ペクトル的に分離し且つ信号の複数のスペクトル成分の
強度を測定する。一般に、スペクトル分析器は、蛍光信
号をそのスペクトル成分に分離するためのプリズムのよ
うなスペクトル部品及び回折格子等と、ダイオード配
列、荷電結合素子（CCD）装置、バンドパスフィルタの
配列及び光電子増倍管等のフォト検出器の配列とからな
る。第２図の好ましい実施例では、スペクトル分析器
は、回折格子46（例えば、ニュージャージ州、Jobin−Y
von社のモデルCP−140）及びCCDコントローラ50にリン
クされたCCD配列48（例えば、ニュージャージ州、Princ
eton Instruments社のモデルS2135）からなる。
フルオレセイン及びテトラメチルローダミンからの蛍
光信号を分析するのに適した一例としてのCCD配列は、
スペクトルの500〜650nm領域に跨がる21個の収集ビンに
区分される。各ビンは、8.5nm窓を越える光を収集す
る。他の多くの構成を使用できることも明らかである。
スペクトル分析のためのCCD配列の適用例が、Karger等
の「核酸研究19」（1991年、第4955〜4962頁）に記載さ
れている。
光信号を分析するのに適した一例としてのCCD配列は、
スペクトルの500〜650nm領域に跨がる21個の収集ビンに
区分される。各ビンは、8.5nm窓を越える光を収集す
る。他の多くの構成を使用できることも明らかである。
スペクトル分析のためのCCD配列の適用例が、Karger等
の「核酸研究19」（1991年、第4955〜4962頁）に記載さ
れている。
蛍光信号の分析は、スペクトル分析器により収集され
たデータに基づいて行うのが好ましい。なぜならば、１
つ以上の第１及び第２蛍光指標（これらの指標から強度
比が計算される）を、例えば多ビームスプリッタ、フィ
ルタ及び光電子増倍管の不整合により生じることがある
波長特定装置の変異性を導入することなく、同時に分析
できるからである。また、スペクトル分析器は、「バー
チャルフィルタ」の使用、すなわちフォト検出器の配列
から得られるデータのプログラム操作（該操作では、関
連するマイクロプロセッサを介してのプログラム制御下
で、物理的バンドパスフィルタと同様に複数の別々の波
長範囲がサンプリングされる）が可能になる。この能力
により、第１及び第２蛍光指標としての染料の選択に高
度のフレキシビリティが得られる。
たデータに基づいて行うのが好ましい。なぜならば、１
つ以上の第１及び第２蛍光指標（これらの指標から強度
比が計算される）を、例えば多ビームスプリッタ、フィ
ルタ及び光電子増倍管の不整合により生じることがある
波長特定装置の変異性を導入することなく、同時に分析
できるからである。また、スペクトル分析器は、「バー
チャルフィルタ」の使用、すなわちフォト検出器の配列
から得られるデータのプログラム操作（該操作では、関
連するマイクロプロセッサを介してのプログラム制御下
で、物理的バンドパスフィルタと同様に複数の別々の波
長範囲がサンプリングされる）が可能になる。この能力
により、第１及び第２蛍光指標としての染料の選択に高
度のフレキシビリティが得られる。
一般に、検出／分析手段は、第１及び第２蛍光指標に
より発生される信号の強度比を反映する読取り値が得ら
れる任意の検出装置で構成できる。このような装置は、
米国特許第4,577,109号及び第4,786,886号及び「光技術
の設計及び適用ハンドブック（The Photonics Design
＆ Applications Handbook）第39版）」（1993年、Laur
in Publishing社、マサチューセッツ州、Pittsfield）
に例示されているように、当該技術分野で良く知られて
いる。
より発生される信号の強度比を反映する読取り値が得ら
れる任意の検出装置で構成できる。このような装置は、
米国特許第4,577,109号及び第4,786,886号及び「光技術
の設計及び適用ハンドブック（The Photonics Design
＆ Applications Handbook）第39版）」（1993年、Laur
in Publishing社、マサチューセッツ州、Pittsfield）
に例示されているように、当該技術分野で良く知られて
いる。
本発明の装置はPCRのモニタリングに使用するのが好
ましいけれども、LCRのような他の種々の増幅体系にも
使用できる。PCRを行なうための説明及びガイダンス
は、例えば上記Innis等及びMcPherson等の文献を含む広
範囲の文献においてなされている。簡単にいえば、PCR
では、DNAポリメラーゼを触媒とする一連の合成反応の
プライマーとして、２つのオリゴヌクレオチドが使用さ
れる。一般に、これらのオリゴヌクレオチドは異なるシ
ーケンスを有し、且つ、（ｉ）テンプレートすなわち目
標DNAの対向鎖上にあり、（ii）増幅すべきDNAのセグメ
ントをフランキングするシーケンスを補完する。目標DN
Aは、１モルを大きく超える量の２つのオリゴヌクレオ
チド及び４つのデオキシヌクレオチド三リン酸（dNTP）
の各々の存在下で加熱することにより、最初に変性が引
き起こされる。次に、反応混合物は、オリゴヌクレオチ
ドプライマーをこれらの目標シーケンスにアニーリング
できる温度に冷却され、この後に、アニーリングされた
プライマーがDNAポリメラーゼと共に拡張（extend）さ
れる。次に、変性、アニーリング及び拡張が多数回（一
般に25〜35回）反復される。１回目の増幅の生成物は次
回の目標核酸として機能するので、各連続サイクルが、
目標DNAの量すなわち増幅生成物の量を本質的に倍化す
る。
ましいけれども、LCRのような他の種々の増幅体系にも
使用できる。PCRを行なうための説明及びガイダンス
は、例えば上記Innis等及びMcPherson等の文献を含む広
範囲の文献においてなされている。簡単にいえば、PCR
では、DNAポリメラーゼを触媒とする一連の合成反応の
プライマーとして、２つのオリゴヌクレオチドが使用さ
れる。一般に、これらのオリゴヌクレオチドは異なるシ
ーケンスを有し、且つ、（ｉ）テンプレートすなわち目
標DNAの対向鎖上にあり、（ii）増幅すべきDNAのセグメ
ントをフランキングするシーケンスを補完する。目標DN
Aは、１モルを大きく超える量の２つのオリゴヌクレオ
チド及び４つのデオキシヌクレオチド三リン酸（dNTP）
の各々の存在下で加熱することにより、最初に変性が引
き起こされる。次に、反応混合物は、オリゴヌクレオチ
ドプライマーをこれらの目標シーケンスにアニーリング
できる温度に冷却され、この後に、アニーリングされた
プライマーがDNAポリメラーゼと共に拡張（extend）さ
れる。次に、変性、アニーリング及び拡張が多数回（一
般に25〜35回）反復される。１回目の増幅の生成物は次
回の目標核酸として機能するので、各連続サイクルが、
目標DNAの量すなわち増幅生成物の量を本質的に倍化す
る。
前述のように、本発明の重要な特徴は、第１及び第２
蛍光指標として使用される蛍光染料にある。指標の蛍光
強度の比を試験することにより、強度の点のみにおいて
明らかな系統的な変異性の大部分の源の作用を無くすこ
とができる。一般に、本発明によれば、第１蛍光指標は
錯体形成染料、又は信号を発生させる重合化ステップ中
に分解されるオリゴヌクレオチドプローブに共有結合さ
れた染料で構成できる。この後者の実施例は、Holland
等の「Proc.Natl.Acad.Sci.88」（1991年、第7276〜728
0頁）に記載されたいわゆる「Tacman」アプローチに関
する。染料に関連して本願で使用する用語「錯体形成
（complex−forming」は、染料が、二重鎖又は三重鎖核
酸構造（通常、DNA）をもつ安定した非共有結合鎖体を
形成できること、及び染料の蛍光特性が、非鎖体状態
（すなわち、通常、自由溶液（free−solution）状態）
と比べて、錯体状態にある点で実質的に異なっているこ
とを意味する。好ましくは、錯体形成染料の蛍光の量子
効率は、自由溶液状態と比べ、錯体状態において高めら
れ、これにより錯体形成時に強い蛍光が得られる。錯体
形成染料の例として、Hoechst 33258及びHoechst 33342
のような臭化エチジウム、ヨウ化プロピジウム（propid
ium iodide）、チアゾールオレンジ、ダウノマイシン、
メパクリン、４′,6′−ジアミニジノ−２−フェニリン
ドール（DAPI）、オキサゾールオレンジ、ビスベンジミ
ダグゾール（bisbenzimidaxole）染料、及びエチジウ
ム、アクリジン、チアゾリウム及びオキサゾリウム染料
（これらの頭字語POPRO、BOPRO、YOPRO及びTOPROとして
知られている）のような種々の挿入染料がある。これら
は、次の文献、すなわち「蛍光プローブ及び調査薬品ハ
ンドブック（Handbook of Fluorescent Probes and Res
erch Chemicals）」第５版（1992年、Molecular Probe
s,Inc.社、Eugene、第221〜229頁、Haugland）;Sriniva
san等の「電気泳動の理論及び応用（Applied and Theor
etical Electrophoresis）３」（1993年、第235〜239
頁）;Kapuscinski等の「年刊生化学３」（1977年、第25
2〜257頁）;Hillの「年刊生化学70」（1976年、第635〜
638頁）;Setaro等の「年刊生化学71」（1976年、第313
〜317頁）;Latt等の「J.Histochem.Cytochem.24」（197
6年、第24〜33頁）；及びRye等の「核酸研究20」（1992
年、第2803〜2812頁）に記載されている。第１蛍光指標
として錯体形成染料を用いる場合には、このような染料
は、チアゾールオレンジ、臭化エチジウム及びTOPROか
らなる群から選択するのが好ましい。
蛍光指標として使用される蛍光染料にある。指標の蛍光
強度の比を試験することにより、強度の点のみにおいて
明らかな系統的な変異性の大部分の源の作用を無くすこ
とができる。一般に、本発明によれば、第１蛍光指標は
錯体形成染料、又は信号を発生させる重合化ステップ中
に分解されるオリゴヌクレオチドプローブに共有結合さ
れた染料で構成できる。この後者の実施例は、Holland
等の「Proc.Natl.Acad.Sci.88」（1991年、第7276〜728
0頁）に記載されたいわゆる「Tacman」アプローチに関
する。染料に関連して本願で使用する用語「錯体形成
（complex−forming」は、染料が、二重鎖又は三重鎖核
酸構造（通常、DNA）をもつ安定した非共有結合鎖体を
形成できること、及び染料の蛍光特性が、非鎖体状態
（すなわち、通常、自由溶液（free−solution）状態）
と比べて、錯体状態にある点で実質的に異なっているこ
とを意味する。好ましくは、錯体形成染料の蛍光の量子
効率は、自由溶液状態と比べ、錯体状態において高めら
れ、これにより錯体形成時に強い蛍光が得られる。錯体
形成染料の例として、Hoechst 33258及びHoechst 33342
のような臭化エチジウム、ヨウ化プロピジウム（propid
ium iodide）、チアゾールオレンジ、ダウノマイシン、
メパクリン、４′,6′−ジアミニジノ−２−フェニリン
ドール（DAPI）、オキサゾールオレンジ、ビスベンジミ
ダグゾール（bisbenzimidaxole）染料、及びエチジウ
ム、アクリジン、チアゾリウム及びオキサゾリウム染料
（これらの頭字語POPRO、BOPRO、YOPRO及びTOPROとして
知られている）のような種々の挿入染料がある。これら
は、次の文献、すなわち「蛍光プローブ及び調査薬品ハ
ンドブック（Handbook of Fluorescent Probes and Res
erch Chemicals）」第５版（1992年、Molecular Probe
s,Inc.社、Eugene、第221〜229頁、Haugland）;Sriniva
san等の「電気泳動の理論及び応用（Applied and Theor
etical Electrophoresis）３」（1993年、第235〜239
頁）;Kapuscinski等の「年刊生化学３」（1977年、第25
2〜257頁）;Hillの「年刊生化学70」（1976年、第635〜
638頁）;Setaro等の「年刊生化学71」（1976年、第313
〜317頁）;Latt等の「J.Histochem.Cytochem.24」（197
6年、第24〜33頁）；及びRye等の「核酸研究20」（1992
年、第2803〜2812頁）に記載されている。第１蛍光指標
として錯体形成染料を用いる場合には、このような染料
は、チアゾールオレンジ、臭化エチジウム及びTOPROか
らなる群から選択するのが好ましい。
第２蛍光指標として用いられる染料は、核酸特に二重
鎖DNAの存在すなわち二重鎖DNAとの関連により蛍光特性
が実質的に影響を受けない蛍光染料である。このような
染料として、この基準を満たし且つ使用されるあらゆる
第１蛍光指標からスペクトル的に分解できる事実上全て
の蛍光染料がある。好ましい第２蛍光指標としてローダ
ミン染料がある。より詳しくは、第２蛍光指標として、
テトラメチルローダミン又は２′,4′,5′,7′−テトラ
クロロ−4,7,−ジクロロフルオレセインがあり、後者は
Menchen等の米国特許第5,188,934号に開示されている。
鎖DNAの存在すなわち二重鎖DNAとの関連により蛍光特性
が実質的に影響を受けない蛍光染料である。このような
染料として、この基準を満たし且つ使用されるあらゆる
第１蛍光指標からスペクトル的に分解できる事実上全て
の蛍光染料がある。好ましい第２蛍光指標としてローダ
ミン染料がある。より詳しくは、第２蛍光指標として、
テトラメチルローダミン又は２′,4′,5′,7′−テトラ
クロロ−4,7,−ジクロロフルオレセインがあり、後者は
Menchen等の米国特許第5,188,934号に開示されている。
好ましい実施例では、Lee等の「核酸研究21」（1993
年、第3761〜3766頁）に記載されているように、第１及
び第２蛍光指標は、両方共、オリゴヌクレオチドプロー
ブに共有結合される。より詳しくは、第１蛍光指標とし
てフルオレセインを使用し且つ第２蛍光指標としてテト
ラメチルローダミンを使用して、テトラメチルローダミ
ンの部分（moiety）が、フルオレセインの部分によるあ
らゆる蛍光の発光を実質的に消光（クエンチング）する
ようにする。かくして、両染料が同じオリゴヌクレオチ
ドに付着すると、テトラメチルローダミンのみが蛍光信
号を発生することができる。オリゴヌクレオチドが、例
えば、DNAポリメラーゼの５′−＞３′エキソヌクレア
ーゼ活性を介して切断され、２つの染料を分離すると、
フルオレセインは蛍光信号を発生できるようになる。こ
の実施例では、励起ビームは、アルゴンイオンレーザの
488nm発光ラインから発生させるのが好ましい。本発明
によれば、PCRでは、この実施例における「自由」フル
オレセインの生成は、使用されるDNAポリメラーゼを触
媒とするDNA合成の量（従って、増幅生成物の量）に比
例する。この実施例では、第１蛍光指標はフルオレセイ
ン（例えば、Foster CityのApplied Biosystems社から
市販されている６−FAM）、第２蛍光指標はテトラメチ
ルローダミン又は２′,4′,5′,7′−テトラクロロ−4,
7,−ジクロロフルオレセインとするのが好ましい。
年、第3761〜3766頁）に記載されているように、第１及
び第２蛍光指標は、両方共、オリゴヌクレオチドプロー
ブに共有結合される。より詳しくは、第１蛍光指標とし
てフルオレセインを使用し且つ第２蛍光指標としてテト
ラメチルローダミンを使用して、テトラメチルローダミ
ンの部分（moiety）が、フルオレセインの部分によるあ
らゆる蛍光の発光を実質的に消光（クエンチング）する
ようにする。かくして、両染料が同じオリゴヌクレオチ
ドに付着すると、テトラメチルローダミンのみが蛍光信
号を発生することができる。オリゴヌクレオチドが、例
えば、DNAポリメラーゼの５′−＞３′エキソヌクレア
ーゼ活性を介して切断され、２つの染料を分離すると、
フルオレセインは蛍光信号を発生できるようになる。こ
の実施例では、励起ビームは、アルゴンイオンレーザの
488nm発光ラインから発生させるのが好ましい。本発明
によれば、PCRでは、この実施例における「自由」フル
オレセインの生成は、使用されるDNAポリメラーゼを触
媒とするDNA合成の量（従って、増幅生成物の量）に比
例する。この実施例では、第１蛍光指標はフルオレセイ
ン（例えば、Foster CityのApplied Biosystems社から
市販されている６−FAM）、第２蛍光指標はテトラメチ
ルローダミン又は２′,4′,5′,7′−テトラクロロ−4,
7,−ジクロロフルオレセインとするのが好ましい。
本発明のこのようなオリゴヌクレオチドプローブは、
多数のアプローチにより合成できる。例えば、Ozaki等
の「核酸研究20」（1992年、第5205〜5214頁）;Agrawal
等の「核酸研究18」（1990年、第5419〜5423頁）等を参
照されたい。オリゴヌクレオチドプローブは、ホスホル
アミダイト化学（例えば、Applied Biosystems,Inc.社
のモデル392又は394DNA合成装置（カリフォルニア州、F
oster City））を用いた自動化された固相DNA合成装置
で合成される。第１及び第２蛍光指標は、反応基を含む
ヌクレオシドホスホルアミダイトモノマーを用いること
により、オリゴヌクレオチドの所定のヌクレオチドに共
有結合できる。例えば、このような反応基は、リン酸基
又はリン酸基類似基にあるもの（例えばAgrawal等の上
記文献参照）、５′末端ヌクレオチドに付着する場合に
は５′ヒドロキシルにあるもの（例えばFung等の米国特
許第4,757,141号又はHobbs Jr.の米国特許第4,997,928
号参照）、及び塩基部分にあるものでよい（例えばRuth
の米国特許第4,948,882号;Haralambidis等の「核酸研究
15（1987年、第4857〜4876頁）;Urdea等の米国特許第5,
093,232号;Cruic−kshankの米国特許第5,091,519号;Hob
bs Jr.等の米国特許第5,151,507号等を参照）。ピリミ
ジン部分をもつヌクレオチドを誘導するのが最も好まし
い。更に好ましくは、オリゴヌクレオチドプローブの
３′末端ヌクレオチドは、核酸ポリメラーゼによりブロ
ックすなわち伸長できないようにされる。このようなブ
ロッキングは、例えばHorn及びUrdeaの「Tetrahedron L
ett.27％（1986年、第4705頁）に記載されており且つ
５′リン酸−ON（商標）としてClontech Laboratories
社（カリフォルニア州、Palo Alto）から市販されてい
る試薬を用いて、リン酸基の付着により行なうのが便利
である。好ましくは、オリゴヌクレオチドプローブの長
さは、15〜60ヌクレオチドの範囲内にあるのが好まし
い。より好ましくは、オリゴヌクレオチドプローブの長
さは、18〜30ヌクレオチドの範囲内にある。
多数のアプローチにより合成できる。例えば、Ozaki等
の「核酸研究20」（1992年、第5205〜5214頁）;Agrawal
等の「核酸研究18」（1990年、第5419〜5423頁）等を参
照されたい。オリゴヌクレオチドプローブは、ホスホル
アミダイト化学（例えば、Applied Biosystems,Inc.社
のモデル392又は394DNA合成装置（カリフォルニア州、F
oster City））を用いた自動化された固相DNA合成装置
で合成される。第１及び第２蛍光指標は、反応基を含む
ヌクレオシドホスホルアミダイトモノマーを用いること
により、オリゴヌクレオチドの所定のヌクレオチドに共
有結合できる。例えば、このような反応基は、リン酸基
又はリン酸基類似基にあるもの（例えばAgrawal等の上
記文献参照）、５′末端ヌクレオチドに付着する場合に
は５′ヒドロキシルにあるもの（例えばFung等の米国特
許第4,757,141号又はHobbs Jr.の米国特許第4,997,928
号参照）、及び塩基部分にあるものでよい（例えばRuth
の米国特許第4,948,882号;Haralambidis等の「核酸研究
15（1987年、第4857〜4876頁）;Urdea等の米国特許第5,
093,232号;Cruic−kshankの米国特許第5,091,519号;Hob
bs Jr.等の米国特許第5,151,507号等を参照）。ピリミ
ジン部分をもつヌクレオチドを誘導するのが最も好まし
い。更に好ましくは、オリゴヌクレオチドプローブの
３′末端ヌクレオチドは、核酸ポリメラーゼによりブロ
ックすなわち伸長できないようにされる。このようなブ
ロッキングは、例えばHorn及びUrdeaの「Tetrahedron L
ett.27％（1986年、第4705頁）に記載されており且つ
５′リン酸−ON（商標）としてClontech Laboratories
社（カリフォルニア州、Palo Alto）から市販されてい
る試薬を用いて、リン酸基の付着により行なうのが便利
である。好ましくは、オリゴヌクレオチドプローブの長
さは、15〜60ヌクレオチドの範囲内にあるのが好まし
い。より好ましくは、オリゴヌクレオチドプローブの長
さは、18〜30ヌクレオチドの範囲内にある。
オリゴヌクレオチドプローブ内の第１及び第２蛍光指
標の分離は、第１及び第２蛍光指標の性質、該蛍光指標
が付着する態様、発光源等に基づいて変化できる。所与
の実施例についての適当な距離の選択に関するガイダン
スを、蛍光分子と消光分子（それぞれ、「ドナー分子」
及び「アクセプタ」分子と呼ぶことがある）との間の共
鳴エネルギ伝播に関する多数の参考文献に見出すことが
でき、例えば、Stryer及びHauglandの「Proc.Natl.Aca
d.Sci.58」（1967年、第719〜726頁）;Cleggの「Meth.E
nzymol 211」（1992年、第353〜388頁）;Cardullo等の
「Proc.Natl.Acad.Sci.85」（1988年、第8790〜8794
頁）;Ozaki等の上記文献;Hauglandの上記文献;Heller等
の「Fed.Proc.46」（1987年、第1968頁）等を参照され
たい。第１及び第２蛍光指標は、第１蛍光指標からの蛍
光の実質的に全て（例えば90％）が消光されるように、
充分近い関係にある必要がある。一般に、エネルギ伝播
ベース消光については、第１蛍光指標と第２蛍光指標と
の間の距離は10〜100オングストロームの範囲内にある
必要がある。一実施例では、第１及び第２蛍光指標は、
ヘアピン等のような介在２次構造が存在しないという条
件で、約４〜10ヌクレオチドの間、より好ましくは４〜
６ヌクレオチドの間で分離される。好ましくは、第１蛍
光指標又は第２蛍光指標のいずれかが、オリゴヌクレオ
チドプローブの５′に付着される。
標の分離は、第１及び第２蛍光指標の性質、該蛍光指標
が付着する態様、発光源等に基づいて変化できる。所与
の実施例についての適当な距離の選択に関するガイダン
スを、蛍光分子と消光分子（それぞれ、「ドナー分子」
及び「アクセプタ」分子と呼ぶことがある）との間の共
鳴エネルギ伝播に関する多数の参考文献に見出すことが
でき、例えば、Stryer及びHauglandの「Proc.Natl.Aca
d.Sci.58」（1967年、第719〜726頁）;Cleggの「Meth.E
nzymol 211」（1992年、第353〜388頁）;Cardullo等の
「Proc.Natl.Acad.Sci.85」（1988年、第8790〜8794
頁）;Ozaki等の上記文献;Hauglandの上記文献;Heller等
の「Fed.Proc.46」（1987年、第1968頁）等を参照され
たい。第１及び第２蛍光指標は、第１蛍光指標からの蛍
光の実質的に全て（例えば90％）が消光されるように、
充分近い関係にある必要がある。一般に、エネルギ伝播
ベース消光については、第１蛍光指標と第２蛍光指標と
の間の距離は10〜100オングストロームの範囲内にある
必要がある。一実施例では、第１及び第２蛍光指標は、
ヘアピン等のような介在２次構造が存在しないという条
件で、約４〜10ヌクレオチドの間、より好ましくは４〜
６ヌクレオチドの間で分離される。好ましくは、第１蛍
光指標又は第２蛍光指標のいずれかが、オリゴヌクレオ
チドプローブの５′に付着される。
他の実施例では、オリゴヌクレオチドプローブには、
両端部に付着された第１及び第２蛍光指標が設けられ
る。この構成は、自由溶液中で、エネルギ伝播範囲内で
第１及び第２蛍光指標をもたらすランダムコイルを形成
するより便利に合成されるプローブを可能にする。かく
して、非ハイブリッド形成状態では、励起された蛍光部
分が消光される。ハイブリッド形成状態では、エネルギ
伝播が無視されて、励起された蛍光部分が蛍光を発する
ことができるように、蛍光部分及び消光剤が引き離され
る。
両端部に付着された第１及び第２蛍光指標が設けられ
る。この構成は、自由溶液中で、エネルギ伝播範囲内で
第１及び第２蛍光指標をもたらすランダムコイルを形成
するより便利に合成されるプローブを可能にする。かく
して、非ハイブリッド形成状態では、励起された蛍光部
分が消光される。ハイブリッド形成状態では、エネルギ
伝播が無視されて、励起された蛍光部分が蛍光を発する
ことができるように、蛍光部分及び消光剤が引き離され
る。
指標分子をオリゴヌクレオチドの５′又は３′末端に
付着させるための多くの連鎖部分及び方法があり、下記
の参考文献、すなわちEckstein編「オリゴヌクレオチド
及び類似物：実際のアプローチ（Oligonucleotides and
Analogues:A Practical Approach）」（1991年、IRL P
ress社、Oxford）;Zu−ckerman等の「核酸研究15」（19
87年、第5305〜5321頁）（オリゴヌクレオチドの３′チ
オール基）;Sharma等の「核酸研究19」（1991年、第301
9頁）（３′スルフヒドリル）;Giusti等の「PCR法及び
適用（PCR Methods and Applications 2」（1993年、第
223〜227頁）;Fung等の米国特許第4,757,141号（カリフ
ォルニア州、Foster CityのApplied Biosystems社から
市販されているAminolink（商標）による５′ホスホア
ミノ基）;Stabinskyの米国特許第4,739,044号（３′ア
ミノアルキルホスホリル基）;Agrawal等の「四面体文字
（Tetrahedron Letters）31」（1990年、第1543〜1546
頁）（ホスホルアミデート連鎖による付着）;Sproat等
の「核酸研究15」（1987年、第4837頁）（５′メルカプ
ト基）；及びNelson等の「核酸研究17」（1989年、第71
87〜7194頁）（５′アミノ基）に例示されている。
付着させるための多くの連鎖部分及び方法があり、下記
の参考文献、すなわちEckstein編「オリゴヌクレオチド
及び類似物：実際のアプローチ（Oligonucleotides and
Analogues:A Practical Approach）」（1991年、IRL P
ress社、Oxford）;Zu−ckerman等の「核酸研究15」（19
87年、第5305〜5321頁）（オリゴヌクレオチドの３′チ
オール基）;Sharma等の「核酸研究19」（1991年、第301
9頁）（３′スルフヒドリル）;Giusti等の「PCR法及び
適用（PCR Methods and Applications 2」（1993年、第
223〜227頁）;Fung等の米国特許第4,757,141号（カリフ
ォルニア州、Foster CityのApplied Biosystems社から
市販されているAminolink（商標）による５′ホスホア
ミノ基）;Stabinskyの米国特許第4,739,044号（３′ア
ミノアルキルホスホリル基）;Agrawal等の「四面体文字
（Tetrahedron Letters）31」（1990年、第1543〜1546
頁）（ホスホルアミデート連鎖による付着）;Sproat等
の「核酸研究15」（1987年、第4837頁）（５′メルカプ
ト基）；及びNelson等の「核酸研究17」（1989年、第71
87〜7194頁）（５′アミノ基）に例示されている。
合成中にオリゴヌクレオチドに付着できる市販の連鎖
部分（例えば、Clontech Laboratories社（カリフォル
ニア州、Palo Alto）から市販されている）を使用する
のが好ましい。
部分（例えば、Clontech Laboratories社（カリフォル
ニア州、Palo Alto）から市販されている）を使用する
のが好ましい。
例えばWoo等の米国特許第5,231,191号及びHobbs,Jr.
の米国特許第4,997,928号に記載されているように、ロ
ーダミン及びフルオレセイン染料は、ホスホルアミデー
ト部分で誘導される染料により、固相合成の終時にオリ
ゴヌクレオチドの５′ヒドロキシルに便利に付着され
る。
の米国特許第4,997,928号に記載されているように、ロ
ーダミン及びフルオレセイン染料は、ホスホルアミデー
ト部分で誘導される染料により、固相合成の終時にオリ
ゴヌクレオチドの５′ヒドロキシルに便利に付着され
る。
上記実施例に関連する実施例であって、第１蛍光指標
が、第２蛍光指標ではなく他の非蛍光消光分子によりオ
リゴヌクレオチドプローブに付着される構成の実施例を
使用できることも明らかである。このような実施例で
は、第２蛍光指標は、増幅生成物と相互作用しないスペ
クトル的に分解可能な事実上全ての蛍光染料で形成でき
る。
が、第２蛍光指標ではなく他の非蛍光消光分子によりオ
リゴヌクレオチドプローブに付着される構成の実施例を
使用できることも明らかである。このような実施例で
は、第２蛍光指標は、増幅生成物と相互作用しないスペ
クトル的に分解可能な事実上全ての蛍光染料で形成でき
る。
実験 目標DNAの種々の出発濃度からDNAコード化するβ−アク
チンのPCR増幅のリアルタイムモニタリング 目標DNAをコード化する人のβ−アクチンの296塩基対
セグメントを、目標DNAの５×103〜１×106コピーの範
囲内の種々の出発量からPCRにより増幅した。次のプラ
イマー及びプローブを使用した。
チンのPCR増幅のリアルタイムモニタリング 目標DNAをコード化する人のβ−アクチンの296塩基対
セグメントを、目標DNAの５×103〜１×106コピーの範
囲内の種々の出発量からPCRにより増幅した。次のプラ
イマー及びプローブを使用した。
ここで、「FAM」は、Fung等の米国特許第5,212,304号
に従って、フルオレセインの６炭素に付着したNHSエス
テル基と、オリゴヌクレオチドの５′−末端デオキシア
デノシンに付着した５′−アミノリン酸とを反応させる
ことにより、オリゴヌクレオチドに結合されたフルオレ
セイン分子を示し、また、「TMR」は、Urdea等の米国特
許第5,093,232号に開示されたアミノ連鎖剤により隣接
チミジンの塩基部分に結合されたテトラメチルローダミ
ン分子を示す。
に従って、フルオレセインの６炭素に付着したNHSエス
テル基と、オリゴヌクレオチドの５′−末端デオキシア
デノシンに付着した５′−アミノリン酸とを反応させる
ことにより、オリゴヌクレオチドに結合されたフルオレ
セイン分子を示し、また、「TMR」は、Urdea等の米国特
許第5,093,232号に開示されたアミノ連鎖剤により隣接
チミジンの塩基部分に結合されたテトラメチルローダミ
ン分子を示す。
PCRは、下記の成分を用いて、0.2mL MicroAmpチュー
ブ（Perkin−Elmer社、コネチカット州、Norwalk）内で
行なった。使用した成分は、10mM Tris−HCl、pH8.3、5
0mM KCl、3.5mM MgCl2、200μＭ、各ヌクレオシドトリ
ホスフェート（相互汚染を防止すべく、米国特許第5,03
5,996号に従って、dTTPの代わりにdUTPを用いる）、300
nM、各正プライマー及び逆プライマー、AmpliTaq（Perk
in−Elmer社、コネチカット州、Norwalk）である。この
混合物には、10ng/μＬで５μＬのRaijDNA（Applied Bi
osystems社、コネチカット州、Foster City）、２μＬ
で５μＬのプローブ、及び１単位／μＬで１μＬのウラ
シルＮ−グリコシラーゼを添加し、反応体積を51μＬに
した。加熱サイクル及び冷却サイクルは、本発明の試料
インターフェース成分を収容する試料ホルダカバーが設
けられたモデル9600 Thermal Cycler（Perkin−Elmer
社、コネチカット州、Norwalk）内で行なわれた。次の
温度分布を使用した。すなわち、500℃で２分間保持
し、95℃で10分間保持し、且つ次の温度（92℃で、15秒
間、54℃で15秒間、72℃で１分間）を通じて40回反復
し、次に72℃で保持した。
ブ（Perkin−Elmer社、コネチカット州、Norwalk）内で
行なった。使用した成分は、10mM Tris−HCl、pH8.3、5
0mM KCl、3.5mM MgCl2、200μＭ、各ヌクレオシドトリ
ホスフェート（相互汚染を防止すべく、米国特許第5,03
5,996号に従って、dTTPの代わりにdUTPを用いる）、300
nM、各正プライマー及び逆プライマー、AmpliTaq（Perk
in−Elmer社、コネチカット州、Norwalk）である。この
混合物には、10ng/μＬで５μＬのRaijDNA（Applied Bi
osystems社、コネチカット州、Foster City）、２μＬ
で５μＬのプローブ、及び１単位／μＬで１μＬのウラ
シルＮ−グリコシラーゼを添加し、反応体積を51μＬに
した。加熱サイクル及び冷却サイクルは、本発明の試料
インターフェース成分を収容する試料ホルダカバーが設
けられたモデル9600 Thermal Cycler（Perkin−Elmer
社、コネチカット州、Norwalk）内で行なわれた。次の
温度分布を使用した。すなわち、500℃で２分間保持
し、95℃で10分間保持し、且つ次の温度（92℃で、15秒
間、54℃で15秒間、72℃で１分間）を通じて40回反復
し、次に72℃で保持した。
第３図は、上記指標として用いたフルオレセイン及び
テトラメチルローダミン染料及び装置の部外光源による
蛍光の発光スペクトルのデータを示す。
テトラメチルローダミン染料及び装置の部外光源による
蛍光の発光スペクトルのデータを示す。
第４図は、サイクル数の関数としてのフルオレセイン
蛍光強度（fluorescein fluorescent intensity）及び
テトラメチルローダミン蛍光強度のデータを示す。強度
における高周波数の振動は、２つの染料の蛍光発光の温
度依存性を反映している。10サイクルと28サイクルとの
間での両染料についてのベースライン蛍光の増大は、装
置ベースの変化である。同じデータからのテトラメチル
ローダミン蛍光強度に対するフルオレセイン蛍光強度の
比を示す第５図において、装置ベースの変化は無くな
り、読取り信号の変動のRMS（すなわち蛍光強度の比）
は、測定した比の平均大きさの１％より小さい。
蛍光強度（fluorescein fluorescent intensity）及び
テトラメチルローダミン蛍光強度のデータを示す。強度
における高周波数の振動は、２つの染料の蛍光発光の温
度依存性を反映している。10サイクルと28サイクルとの
間での両染料についてのベースライン蛍光の増大は、装
置ベースの変化である。同じデータからのテトラメチル
ローダミン蛍光強度に対するフルオレセイン蛍光強度の
比を示す第５図において、装置ベースの変化は無くな
り、読取り信号の変動のRMS（すなわち蛍光強度の比）
は、測定した比の平均大きさの１％より小さい。
第６図は、図示のように5000目標分子から106目標分
子の範囲の両から出発するβアクチンDNAのPCRからのデ
ータを示す。
子の範囲の両から出発するβアクチンDNAのPCRからのデ
ータを示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ボードナー ケヴィン エス アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94403 サン マテオ イースト フォ ーティフォース プレイス 44 アパー トメント シー (72)発明者 コーネル チャールズ アール アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94062 レッドウッド シティー キン グ ストリート 167 (72)発明者 ガンツ アレン エム アメリカ合衆国 コネチカット州 06611 トランバル スターリング ロ ード 145 (72)発明者 マックブライド リンカーン ジェイ アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94002 ベルモント アラメーダ デ ラス プルガス 400 (72)発明者 サヴィアーノ ポール ジー アメリカ合衆国 コネチカット州 06850 ノーウォーク ヒルクレスト プレイス １ (72)発明者 シゲウラ ジョン アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94536 フリーモント キーストーン ドライヴ 5110 (72)発明者 トレイシー ディヴィッド エイチ アメリカ合衆国 コネチカット州 06850 ノーウォーク ベルドン ヒル ロード 581 (72)発明者 ヤング ユージーン エフ アメリカ合衆国 コネチカット州 06850 ウィルトン ランバート コモ ン 34 (72)発明者 リー リンダ ジー アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94303 パロ アルト ステーリング ドライヴ 3187 (56)参考文献 特開 平５−38297（ＪＰ，Ａ) ＢＩＯ／ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ，Ｖｏ ｌ．10，ｐ413−417（1992) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01N 21/75 G01N 33/50 C12Q 1/68 ＢＩＯＳＩＳ
Claims (46)
- 【請求項１】核酸増幅反応生成物の形成をリアルタイム
でモニタリングする装置において、 増幅すべき核酸サンプルを保持するサンプルホルダー
と、 前記サンプル体積を励起ビームで照射するための光ファ
イバーケーブルと、 励起ビームをサンプルの体積中に合焦させ、増幅反応生
成物の濃度にその強度が比例する第１の蛍光信号およ
び、励起ビームによって照射されるサンプルの体積にそ
の強度が比例する第２の蛍光信号をサンプルから収集
し、前記光ファイバーケーブルに伝達するための同軸状
に配置されたレンズと、 核酸増幅の過程の複数の時点で光ファイバーケーブルか
らの第１および第２の蛍光信号を受け取るための検出及
び分析機構とを含み、前記検出及び分析機構が、第１お
よび第２の蛍光信号強度を複数の時点で測定するもので
あり、修正された複数の強度信号を生成し、各修正強度
信号が任意の時点における第１及び第２の蛍光信号間の
関係に対応することを特徴とする装置。 - 【請求項２】検出および分析機構が修正された複数の強
度信号に対応する読み取りを時間の関数として与える、
請求項１に記載の装置。 - 【請求項３】複数のサンプルを保持するための複数のサ
ンプルホルダーと、 複数のサンプルの体積を照射するための光ファイバーケ
ーフルと、 励起ビームをサンプル中に合焦させるために光ファイバ
ーケーブルの第１の端と同軸状に配置された複数のレン
ズと、 複数の各該光ファイバーケーブルの第２の端に検出及び
分析機構を接続するための光ファイバーマルチプレクサ
ーを含む、請求項１に記載の装置。 - 【請求項４】サンプルホルダーがサンプルを保持するた
めの取り外し可能な反応チャンバーを含む、請求項１に
記載の装置。 - 【請求項５】取り外し可能な反応チャンバーがシール可
能である、請求項１に記載の装置。 - 【請求項６】サンプルホルダーがサンプルを保持するた
めのシール可能な反応チャンバーを含む、請求項１に記
載の装置。 - 【請求項７】サンプルホルダーが、レンズからサンプル
中へ伝達される励起ビームが通る光学インターフェース
を含む、請求項１に記載の装置。 - 【請求項８】サンプルホルダーが、サンプルを保持する
ためのシール可能な反応チャンバーを含み、光学インタ
ーフェースが前記反応チャンバーの壁を形成する、請求
項７に記載の装置。 - 【請求項９】光学インターフェースを加熱して、前記光
学インターフェース上へのサンプルの凝縮を減少させる
機構を更に含む、請求項７に記載の装置。 - 【請求項１０】サンプルホルダーが、サンプルを保持す
るためのシール可能な反応チャンバーを含み、光学イン
ターフェースが前記反応チャンバーの壁を形成する、請
求項９に記載の装置。 - 【請求項１１】サンプルホルダーが、サンプルを保持す
るための取り外し可能な反応チャンバーを含み、光学イ
ンターフェースが、サンプルの少なくとも一部を覆い、
かつエアギャップでサンプルから隔てられる、前記反応
チャンバーの壁を形成する、請求項７に記載の装置。 - 【請求項１２】核酸増幅が複数の増幅サイクルを含むも
のであり、 検出及び解析機構が第１および第２の蛍光信号を光ファ
イバーカーブルから１増幅サイクルごとに少なくとも１
回受け、第１及び第２の蛍光信号の強度を増幅サイクル
ごとに少なくとも１回測定する、請求項１に記載の装
置。 - 【請求項１３】検出及び解析機構が増幅サイクルごとに
少なくとも１つの修正された強度信号を作り出す、請求
項12に記載の装置。 - 【請求項１４】核酸増幅反応生成物の形成をリアルタイ
ムでモニタリングする方法において、 核酸増幅反応生成物を形成させるための増幅すべき核酸
配列を含むサンプルホルダーと、 励起ビームを照射したときに前記サンプル中の増幅反応
生成物の濃度にその強度が比例する第１の蛍光信号を発
する第１の蛍光指標と、 励起ビームを照射したときに前記サンプルの体積にその
強度が比例する第２の蛍光信号を発する第２の蛍光指標
とを使用し、 前記サンプルホルダー中で核酸配列の増幅を行い、 増幅中の複数の時点でサンプルホルダー中に励起ビーム
を伝達し、第１及び第２の蛍光信号強度を複数の時点で
測定し、 複数の修正された強度信号を計算することによりリアル
タイムで核酸増幅反応生成物の形成をモニタリングし、
修正された各強度信号が複数の時点で測定された第１の
蛍光信号と第２の蛍光信号の強度間の関係に対応するも
のであり、修正された強度信号における時間変化が核酸
増幅反応生成物の形成を示すものであることを特徴とす
る方法。 - 【請求項１５】核酸増幅反応生成物の形成をリアルタイ
ムでモニタリングする方法において、 マルチサンプルホルダーであって、各サンプルホルダー
が核酸増幅反応生成物を形成させるための増幅すべき核
酸配列を含むものと、 励起ビームを照射したときに前記サンプル中の増幅反応
生成物の濃度にその強度が比例する第１の蛍光信号を発
する第１の蛍光指標と、 励起ビームを照射したときに前記サンプルの体積にその
強度が比例する第２の蛍光信号を発する第２の蛍光指標
とを使用し、 前記マルチサンプルホルダー中で核酸配列の増幅を行
い、 増幅中の複数の時点で前記マルチサンプルホルダー中に
励起ビームを伝達して第１及び第２の蛍光信号強度を複
数の時点で測定し、 複数の修正された強度信号を計算することによりリアル
タイムで前記マルチサンプルホルダー中の核酸増幅反応
生成物の形成をモニタリングし、修正された各強度信号
が複数の時点で測定された第１の蛍光信号と第２の蛍光
信号の強度間の関係に対応するものであり、修正された
強度信号における時間変化が核酸増幅反応生成物の形成
を示すものであることを特徴とする方法。 - 【請求項１６】複数の核酸増幅反応生成物の形成をリア
ルタイムでモニタリングする方法において、 複数の核酸増幅反応生成物を形成させるための、増幅す
べき複数の核酸配列を含むサンプルホルダーと、 励起ビームを照射したときに前記サンプル中の増幅反応
生成物の濃度にその強度が比例する第１の蛍光信号を発
する複数の第１の蛍光指標と、 励起ビームを照射したときに前記サンプルの体積にその
強度が比例する第２の蛍光信号を発する第２の蛍光指標
とを使用し、 前記サンプルホルダー中で核酸配列の増幅を行い、 増幅中の複数の時点でサンプルホルダー中に励起ビーム
を伝達し、第１及び第２の蛍光信号強度を複数の時点で
測定し、 複数の時点でサンプルフォルダー中の複数の核酸配列の
それぞれについて複数の修正された強度信号を計算する
ことによりリアルタイムでサンプルホルダー中の複数の
核酸増幅反応生成物の形成をモニタリングし、修正され
た各強度信号が複数の時点で測定された第１の蛍光信号
と第２の蛍光信号の強度間の関係に対応するものであ
り、修正された強度信号における時間変化が核酸増幅反
応生成物の形成を示すものであることを特徴とする方
法。 - 【請求項１７】核酸増幅反応生成物の形成をリアルタイ
ムでモニタリングする方法において、 核酸増幅反応生成物を形成させるための、増幅すべき核
酸配列を含むサンプルホルダーと、 増幅反応生成物にハイブリダイズすることができるオリ
ゴヌクレオチドに共有結合した第１及び第２の蛍光指標
であって、前記第１の蛍光指標は励起ビームを照射した
ときに前記サンプル中の増幅反応生成物の濃度にその強
度が比例するものであり、前記第２の蛍光指標は励起ビ
ームを照射したときに前記サンプルの体積にその強度が
比例する第２の蛍光信号を発するものであり、前記第２
の蛍光指標が第１の蛍光指標を消光するものとを使用
し、 前記サンプルホルダー中で核酸配列の増幅を行い、 増幅中の複数の時点でサンプルホルダー中に励起ビーム
を伝達して第１及び第２の蛍光信号強度を複数の時点で
測定し、 複数の修正された強度信号を計算することによりリアル
タイムで核酸増幅反応生成物の形成をモニタリングし、
修正された各強度信号が複数の時点での第１の蛍光信号
と第２の蛍光信号の強度間の関係に対応するものであ
り、修正された強度信号における時間変化が核酸増幅反
応生成物の形成を示すものであることを特徴とする方
法。 - 【請求項１８】第１の蛍光指標が錯体形成色素である、
請求項14〜17のいずれか１項に記載の方法。 - 【請求項１９】サンプルホルダー中に励起ビームを伝達
する前にサンプルホルダー内にサンプルをシールするス
テップを更に含む、請求項14〜17のいずれか１項に記載
の方法。 - 【請求項２０】サンプルホルダーが、サンプルに伝達さ
れる励起ビームが通る光学インターフェースを有し、前
記サンプルホルダーがまた光学インターフェースをサン
プルから隔てるエアギャップを含み、さらに前記光学イ
ンターフェースを加熱して光学インターフェース上への
サンプルの凝縮を減少させるステップを含む、請求項14
〜17のいずれか１項に記載の方法。 - 【請求項２１】励起ビームをサンプル中に伝達する前
に、サンプルホルダー内のホルダーをシールするステッ
プを更に含む、請求項20に記載の方法。 - 【請求項２２】サンプルホルダーを使用するステップ
が、サンプルホルダーから取り外せる反応チャンバーに
サンプルを加え、前記取り外し可能な反応チャンバーを
サンプルポルダーに加えることを含む、請求項14〜17に
記載の方法。 - 【請求項２３】取り外し可能な反応チャンバー内にサン
プルをシールするステップを更に含む、請求項22に記載
の方法。 - 【請求項２４】取り外し可能な反応チャンバーが、レン
ズからサンプルへ伝達される励起ビームが通る光学イン
ターフェースと、前記光学インターフェースをサンプル
から隔てるエアギャップを含むものであり、光学インタ
ーフェースを加熱して光学インターフェース上へのサン
プルの凝縮を減少させるステップを更に含む、請求項23
に記載の方法。 - 【請求項２５】増幅の実行がポリメラーゼ連鎖反応を少
なくとも１サイクル行うものである、請求項14〜17に記
載の方法。 - 【請求項２６】増幅の実行がリガーゼ連鎖反応を少なく
とも１サイクル行うものである、請求項14〜17に記載の
方法。 - 【請求項２７】増幅の実行が、複数の増幅サイクルを行
うことを含むものであり、 増幅の過程の複数の時点におけるサンプルホルダー中へ
の励起ビームの伝達が、増幅サイクルごとに少なくとも
１回励起ビームを伝達することを含むものである、請求
項14〜17のいずれか１項に記載の方法。 - 【請求項２８】核酸増幅反応生成物の形成のモニタリン
グが、増幅サイクルごとに少なくとも１回修正された強
度信号を計算するものである、請求項27に記載の方法。 - 【請求項２９】光学インターフェースを含む反応チャン
バーを保持するためのサンプルホルダーと、 前記反応チャンバー内部に収納されたサンプルに励起ビ
ームを伝達し、および、サンプルから放射される光を受
けるための光ファイバーケーブルと、 前記光ファイバーケーブルと同軸状に配置され、励起ビ
ームを光学インターフェースを通して、かつ、サンプル
の体積内に合焦させ、前記サンプルの体積内部から放射
される光を収集して光ファイバーケーブルに伝達するた
めに反応チャンバー外部で位置決めされたレンズ、とを
含む装置。 - 【請求項３０】光学インターフェースを含む反応チャン
バーと、 前記反応チャンバー内部に収納されたサンプルに励起ビ
ームを伝達し、かつ、サンプルから放射される光を受け
るための光ファイバーケーブルと、 該光ファイバーケーブルと同軸状に配置され、励起ビー
ムを光学インターフェースを通してサンプルの体積内に
合焦させ、前記サンプルの体積内部から放射される光を
収集して光ファイバーケーブルに伝達するために反応チ
ャンバー外部で位置決めされたレンズ、とを含む装置。 - 【請求項３１】サンプルホルダーが、サンプルを保持す
るための取り外し可能な反応チャンバーを含む、請求項
29に記載の装置。 - 【請求項３２】反応チャンバーが取り外し可能である、
請求項30に記載の装置。 - 【請求項３３】光学インターフェースが反応チャバーの
壁である、請求項29〜32のいずれか１項に記載の装置。 - 【請求項３４】レンズが反応チャンバーと接触していな
い、請求項29〜32のいずれか１項に記載の装置。 - 【請求項３５】レンズがエアギャップによって反応チャ
ンバーから隔離されている、請求項29〜32のいずれか１
項に記載の装置。 - 【請求項３６】レンズが、光学インターフェースとサン
プルの間に配置されたエアギャップを通して励起ビーム
を合焦させる、請求項29〜33のいずれか１項に記載の装
置。 - 【請求項３７】光学インターフェースを加熱し、光学イ
ンターフェース上へのサンプルの凝縮を減少させるため
の機構を更に含む、請求項29〜33のいずれか１項に記載
の装置。 - 【請求項３８】第１および第２の蛍光信号を光ファイバ
ーケーブルから受けるための検出および解析機構を更に
含む、請求項29〜33のいずれか１項に記載の装置。 - 【請求項３９】それぞれが光学インターフェースを含む
複数の反応チャンバーを保持するための複数のサンプル
ホルダーと、 複数の反応チャンバー内部に収納されたサンプルに励起
ビームを伝達し、サンプルから放射される光を受けるた
めの複数の光ファイバーケーブルと、 前記光ファイバーケーブルと同軸状に配置され、励起ビ
ームを光学インターフェースを通して、かつ、サンプル
の体積内に合焦させ、サンプルの体積内部から放射され
る光を収集して光ファイバーケーブルに伝達するために
反応チャンバー外部で位置決めされた複数のレンズ、と
を含む請求項29に記載の装置。 - 【請求項４０】それぞれが光学インターフェースを含む
複数の反応チャンバーと、 複数の反応チャンバー内部に収納されたサンプルに励起
ビームを伝達し、サンプルから放射される光を受けるた
めの複数の光ファイバーケーブルと、 前記光ファイバーケーブルと同軸状に配置され、励起ビ
ームを光学インターフェースを通して、かつ、サンプル
の体積内に合焦させ、前記サンプルの体積内部から放射
される光を収集して光ファイバーケーブルに伝達するた
めに反応チャンバー外部で位置決めされた複数のレン
ズ、とを含む請求項30に記載の装置。 - 【請求項４１】核酸増幅反応生成物の形成をモニタリン
グする方法であって、 光学インターフェースを含む反応チャンバー内のサンプ
ル中の核酸配列を増幅させ、 反応チャンバー外部で位置決めされたレンズを用いてサ
ンプル体積内部に励起ビームを合焦させ、 前記レンズを用いてサンプル体積内部で放射される光を
収集することを含む方法。 - 【請求項４２】レンズが反応チャンバーと接触していな
い、請求項41に記載の方法。 - 【請求項４３】レンズが反応チャンバーからエアギャッ
プにより隔てられている、請求項41に記載の方法。 - 【請求項４４】レンズが、光学インターフェースとサン
プルの間に配置されたエアギャップを通して励起ビーム
を合焦させる、請求項41に記載の方法。 - 【請求項４５】サンプルを反応チャンバー内にシール
し、光学インターフェースを加熱して光学インターフェ
ース上へのサンプルの凝集を減少させるステップを含
む、請求項41に記載の方法。 - 【請求項４６】収集した放射光を検出および解析機構へ
伝達するステップを含む、請求項41の方法。
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| ＢＩＯ／ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ，Ｖｏｌ．１０，ｐ４１３−４１７（１９９２） |
Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| JP2008544254A (ja) * | 2005-06-13 | 2008-12-04 | ストラタジーン カリフォルニア | 別個の光学経路を有している蛍光の励起および検出のためのシステムおよび方法 |
| WO2007102400A1 (ja) | 2006-03-06 | 2007-09-13 | Sanyo Electric Co., Ltd. | 核酸増幅生成物のリアルタイム検出装置 |
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