JP3689901B2 - Biochip reader - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、DNAや蛋白質の試料に蛍光物質を標識してこれをレーザ光等で励起して蛍光を発生させ、その蛍光の波長を読取る読取装置に関し、特に小型化、低価格化、高精度化のための改善に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来より、DNAや蛋白質に蛍光物質を標識しレーザ光を照射してその蛍光物質を励起し、これにより発生した蛍光を読取り、DNAや蛋白質を検出し解析する技術がある。また、この場合、バイオチップ上に蛍光物質が標識されたDNAや蛋白質をアレイ状にスポットしたバイオチップが利用される。
【0003】
バイオチップの読取りは次のようにして行われる。レーザ光を例えば横軸方向に振って照射しアレイ状の各スポットの蛍光物質を励起させ、発光した蛍光を例えば光ファイバーで集光し、これを光学フィルタを介して受光器で受光し、目的の波長を抽出する。このようにして1ライン(スポット列)の読取り動作が終わると、バイオチップを縦軸方向に駆動し、上記と同様の操作を行う。この操作を繰り返してバイオチップ全体を読取る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の読取装置には次のような課題があった。
1)バイオチップはスポットが多く、外形寸法が大きい。アレイ数も多い。
2)蛍光の波長を光学フィルタで分離するため、多色ではスペクトラムが各色素の濃度により混合して分離し難い。
3)自己蛍光や背景光等が混合するため定量性が悪化し、精度が悪い。
4)蛍光色に応じて光学フィルタ、受光器を切替える場合、その切替え操作に時間がかかる。
5)光学フィルタ、受光器を切替える代わりに、これらを複数個用意し同時に受光させると高速となるが、高価になるという欠点がある。
6)走査型共焦点顕微鏡を用いると、部品点数が多いため、高価で大型であり、また測定に時間がかかる。
【0005】
本発明の目的は、上記の課題を解決するもので、一挙に、小型化、低価格化、高精度化を図ることのできるバイオチップ読取装置を実現することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明では、
基板上で互いに所定の間隔だけ離れた位置に2次元状に配置された複数の試料に対してそれぞれに同時に測定光を照射し、1つの2次元の受光器で試料からの蛍光を同時に測定するバイオチップ読取装置であって、
前記試料に応じた画像における試料像間の空き領域に、対象となる試料の複数の分光情報を配置する手段を備えると共に、
分光対象領域を制限するための開口部が各試料の位置と一致するかまたは各試料の一部と一致するように構成されたことを特徴とする。
【0007】
このような構成によれば、受光器の画像の試料間に試料の分光情報が出力でき、同時多波長測定が容易に実現できる。また、多波長情報をコンパクトに得ることもできる。
また、開口部を各試料の位置と一致または各試料の一部と一致させるため、ノイズの少ない情報を容易に得ることができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下図面を用いて本発明を詳しく説明する。図1は本発明の読取装置の一実施例を示す構成図である。
図において、1はレーザ光を発生する光源、2は光源からの光を平行光にするレンズ、3はダイクロイックミラー、4は対物レンズ、5は試料、6は回折格子、7はレンズ、8は受光器である。
【0015】
光源1から発生した光(励起光)はレンズ2により平行光となり、ダイクロイックミラー3で反射し、対物レンズ4を介して集光し試料5面を照射する。この照射光により試料は蛍光(励起光とは波長が異なる)を発し、その蛍光は再び対物レンズ4に逆戻りしダイクロイックミラー3に入射する。
【0016】
ダイクロイックミラー3を透過した試料からの蛍光は回折格子6で回折する。その回折角は波長に対応する。回折格子6で回折した光はレンズ7を介して受光器8上に集光する。受光器8は例えばカメラ等が使用される。
【0017】
バイオチップに、例えば図2に示すように4個の試料S1,S2,S3,S4のスポットが配置されている場合、受光器8には図3のように各試料ごとに空間的にずれた位置に波長λ1〜λnの分光画像(スペクトラム)が得られる。この分光画像は分光情報であるが、白黒カメラで十分その分光情報を測定することができる。この場合、図からも明らかなように各スポットの隙間が巧みに利用されている。
【0018】
上記実施例ではスポットがアレイ状に点在するバイオチップを対象としているが、本発明はこれに限らずライン状に配置された電気泳動パターンの蛍光パターンも対象にすることができる。その場合は、図4に示すような像が得られる。すなわち、各レーンの泳動パターン(縦軸方向)について空間的に横軸方向にずれた位置にλ1〜λnの分光画像が生じる。
【0019】
図5は本発明の他の実施例を示す構成図である。図5は直角に2枚の回折光子を配置した例である。このような構成によれば、図6に示すように2次元のスペクトラムが得られる。例えば、横軸方向(X軸方向)を100nm刻み、縦軸方向(Y軸方向)を10nm刻みとすれば、ダイナミックレンジが広く、かつ高精度の計測が可能となる。
【0020】
図7は回折格子の代わりにダイクロイックミラーを使用した場合の実施例である。これは光学フィルタと光学的シフト手段の組み合わせである。図示のように、透過波長の異なるダイクロイックミラー31,32,33(光学フィルタ)を光軸上に積み重ねる。この場合、ダイクロイックミラーを反射する光が、丁度回折格子で回折するのと同様な角度で反射するように、各ダイクロイックミラーの角度を設定しておく(光学的シフト手段に相当する)。
【0021】
図8は回折格子やダイクロイックミラーに代えて、サバール方式やマイケルソン型の非可動型のフーリエ分光手段81を用いた例である。この場合、受光器に得られる画像は、スペクトラムそのものではなく、干渉縞像である。したがって、この干渉縞像を計算手段(図示せず)によりフーリエ変換処理することによりスペクトラムが得られる。
【0022】
なお、測定には通常の蛍光顕微鏡やカメラだけでなく、共焦点や2光子方式の顕微鏡を用いると、更に高分解能となる。また、共焦点のスライス効果により個々の試料の厚みがばらついている場合でも常に一定の体積の試料を測定出来るため、定量性も向上する。
なお、この場合、共焦点顕微鏡は非走査型でもよい。
【0023】
また、図9に示すように本来の蛍光とわずかに波長が異なる自己蛍光等は、使用される試薬の特性が既知であるため、容易に除去することができる。必要なら信号スペクトルを回帰法により分離してもよい。このようにすれば、高精度、高感度化を容易に実現することができる。
【0024】
また、分光では、スリット等の遮光手段で測定領域を制限する必要がある。そのため、例えば図10に示すように、開口部Aを試料S1のある領域と一致させるか、または試料の一部と一致させることにより、面積を最も有効に使うことができる。
【0025】
これは、試料のふち部の乱れによるエラーを除去するためにも有効である。なお、開口部の形状は丸型だけでなく矩形などでもよい。
【0026】
また、図10に示すような開口部あるいは上記のような矩形型の開口部を非走査型共焦点顕微鏡のピンホールまたはスリットとして利用すると、安価かつ小型でありながら共焦点の高分解能とスライスによる定量性が得られる。
この場合、検出手段は図1に示すような分光方式に限らず、一般のフィルタ方式でもよい。
【0027】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば次のような効果がある。
1)フィルタや受光器を切替えることなく多波長の蛍光を同時に測定でき、コンパクトな読取装置を実現することができる。かつまた、開口部を各試料の位置と一致または各試料の一部と一致させるため、ノイズの少ない情報を容易に得ることができる。
2)受光器上に表示されるスペクトラムの撮影は白黒カメラでよく、安価で済む。
3)受光器上に表示されるスペクトラムは、容易に2次元スペクトラムとすることもでき、高精度化が容易である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るバイオチップ読取装置の一実施例を示す構成図である。
【図2】バイオチップ上の試料の配列を説明するための図である。
【図3】受光器上に表示される分光情報を説明するための説明図である。
【図4】ラインアレイ状に配置された試料を測定した場合の分光情報を説明するための説明図である。
【図5】本発明の他の実施例を示す構成図である。
【図6】分光情報が2次元的に展開された場合の分光画像についての説明図である。
【図7】本発明の更に他の実施例を示す構成図である。
【図8】本発明の更に他の実施例を示す構成図である。
【図9】自己蛍光等の分布状態を示す説明図である。
【図10】試料と開口部の関係に係る説明図である。
【符号の説明】
1 光源
2 レンズ
3,31,32,33 ダイクロイックミラー
4 対物レンズ
5,S1,S2,S3,S4 試料
6,61 回折格子
7 レンズ
8 受光器
81 フーリエ分光手段
A 開口部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a reading device that labels a fluorescent substance on a DNA or protein sample, excites it with a laser beam or the like to generate fluorescence, and reads the wavelength of the fluorescence. It is about the improvement for conversion.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, there is a technique for labeling a fluorescent substance on DNA or protein, irradiating laser light to excite the fluorescent substance, reading the generated fluorescence, and detecting and analyzing DNA or protein. In this case, a biochip in which DNA or protein labeled with a fluorescent substance is spotted in an array on the biochip is used.
[0003]
The biochip is read as follows. For example, a laser beam is shaken and irradiated in the horizontal axis direction to excite the fluorescent material in each spot of the array, and the emitted fluorescence is collected by, for example, an optical fiber, and received by a light receiver through an optical filter. Extract the wavelength. When the reading operation for one line (spot row) is completed in this way, the biochip is driven in the vertical axis direction and the same operation as described above is performed. This operation is repeated to read the entire biochip.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, such a conventional reading apparatus has the following problems.
1) Biochip has many spots and large external dimensions. There are many arrays.
2) Since the wavelength of fluorescence is separated by an optical filter, it is difficult to separate the spectrum by mixing with the concentration of each dye in the case of multiple colors.
3) Since autofluorescence and background light are mixed, the quantitativeness is deteriorated and the accuracy is poor.
4) When the optical filter and the light receiver are switched according to the fluorescent color, the switching operation takes time.
5) Instead of switching between the optical filter and the light receiver, if a plurality of these are prepared and light is received simultaneously, the speed is increased, but there is a disadvantage that it is expensive.
6) When a scanning confocal microscope is used, the number of parts is large, so that the scanning confocal microscope is expensive and large in size and takes a long time for measurement.
[0005]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-described problems, and to provide a biochip reader that can be reduced in size, reduced in price, and improved in accuracy.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve such an object, in the present invention,
A plurality of samples arranged two-dimensionally at positions spaced apart from each other by a predetermined distance on the substrate are simultaneously irradiated with measurement light, and fluorescence from the sample is simultaneously measured with one two-dimensional light receiver. A biochip reader,
With a means for arranging a plurality of spectral information of the target sample in the space between the sample images in the image corresponding to the sample ,
The opening for limiting the spectroscopic object region is configured to coincide with the position of each sample or a part of each sample .
[0007]
According to such a configuration, the spectral information of the sample can be output between the samples of the image of the light receiver, and simultaneous multi-wavelength measurement can be easily realized. In addition, multi-wavelength information can be obtained in a compact manner.
In addition, since the opening matches the position of each sample or a part of each sample, information with less noise can be easily obtained.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a reading apparatus according to the present invention.
In the figure, 1 is a light source that generates laser light, 2 is a lens that collimates light from the light source, 3 is a dichroic mirror, 4 is an objective lens, 5 is a sample, 6 is a diffraction grating, 7 is a lens, and 8 is a lens. It is a light receiver.
[0015]
Light (excitation light) generated from the light source 1 is converted into parallel light by the
[0016]
The fluorescence from the sample transmitted through the
[0017]
For example, when the spots of four samples S1, S2, S3, and S4 are arranged on the biochip as shown in FIG. 2, the
[0018]
In the above embodiment, biochips with spots scattered in an array are targeted. However, the present invention is not limited to this, and fluorescent patterns of electrophoresis patterns arranged in a line can also be targeted. In that case, an image as shown in FIG. 4 is obtained. That is, spectral images of λ1 to λn are generated at positions spatially shifted in the horizontal axis direction with respect to the migration pattern (vertical axis direction) of each lane.
[0019]
FIG. 5 is a block diagram showing another embodiment of the present invention. FIG. 5 shows an example in which two diffracted photons are arranged at right angles. According to such a configuration, a two-dimensional spectrum is obtained as shown in FIG. For example, if the horizontal axis direction (X-axis direction) is incremented by 100 nm and the vertical axis direction (Y-axis direction) is incremented by 10 nm, measurement with a wide dynamic range and high accuracy becomes possible.
[0020]
FIG. 7 shows an embodiment in which a dichroic mirror is used instead of the diffraction grating. This is a combination of an optical filter and an optical shift means. As illustrated, dichroic mirrors 31, 32, and 33 (optical filters) having different transmission wavelengths are stacked on the optical axis. In this case, the angle of each dichroic mirror is set so that the light reflected from the dichroic mirror is reflected at the same angle as that diffracted by the diffraction grating (corresponding to the optical shift means).
[0021]
FIG. 8 shows an example in which a Savart type or Michelson type non-movable Fourier spectroscopic means 81 is used in place of the diffraction grating and the dichroic mirror. In this case, the image obtained by the light receiver is not a spectrum itself but an interference fringe image. Therefore, a spectrum can be obtained by subjecting this interference fringe image to Fourier transform processing by a calculation means (not shown).
[0022]
In addition, when using not only a normal fluorescence microscope and a camera but also a confocal or two-photon microscope, the resolution becomes higher. Further, even when the thickness of each sample varies due to the confocal slicing effect, it is possible to always measure a sample having a constant volume, so that quantitativeness is improved.
In this case, the confocal microscope may be a non-scanning type.
[0023]
In addition, as shown in FIG. 9, autofluorescence having a wavelength slightly different from the original fluorescence can be easily removed because the characteristics of the reagent used are known. If necessary, the signal spectrum may be separated by a regression method. In this way, high accuracy and high sensitivity can be easily realized.
[0024]
In spectroscopy, it is necessary to limit the measurement region with a light shielding means such as a slit. Therefore, for example, as shown in FIG. 10, the area can be used most effectively by matching the opening A with a certain region of the sample S1 or with a part of the sample.
[0025]
This is also effective for removing errors due to the disturbance of the edge of the sample. The shape of the opening may be not only a round shape but also a rectangle.
[0026]
Further, when an opening as shown in FIG. 10 or a rectangular opening as described above is used as a pinhole or slit of a non-scanning confocal microscope, it is inexpensive and small, but with high confocal resolution and slices. Quantitative properties can be obtained.
In this case, the detection means is not limited to the spectroscopic method as shown in FIG.
[0027]
【The invention's effect】
As described above, the present invention has the following effects.
1) It is possible to simultaneously measure multi-wavelength fluorescence without switching filters and light receivers, and a compact reader can be realized. In addition, since the opening matches the position of each sample or matches a part of each sample, information with less noise can be easily obtained.
2) The spectrum displayed on the light receiver can be captured with a black and white camera, and can be inexpensive.
3) The spectrum displayed on the light receiver can easily be a two-dimensional spectrum, and high accuracy is easy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing an embodiment of a biochip reader according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram for explaining the arrangement of samples on a biochip.
FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining spectral information displayed on a light receiver;
FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining spectral information when samples arranged in a line array are measured.
FIG. 5 is a block diagram showing another embodiment of the present invention.
FIG. 6 is an explanatory diagram of a spectral image when spectral information is developed two-dimensionally.
FIG. 7 is a block diagram showing still another embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a block diagram showing still another embodiment of the present invention.
FIG. 9 is an explanatory diagram showing a distribution state of autofluorescence and the like.
FIG. 10 is an explanatory diagram relating to a relationship between a sample and an opening.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (4)
前記試料に応じた画像における試料像間の空き領域に、対象となる試料の複数の分光情報を配置する手段を備えると共に、
分光対象領域を制限するための開口部が各試料の位置と一致するかまたは各試料の一部と一致するように構成された
ことを特徴とするバイオチップ読取装置。 A plurality of samples arranged two-dimensionally at positions spaced apart from each other by a predetermined distance on the substrate are simultaneously irradiated with measurement light, and fluorescence from the sample is simultaneously measured with one two-dimensional light receiver. A biochip reader,
With a means for arranging a plurality of spectral information of the target sample in the space between the sample images in the image corresponding to the sample ,
A biochip reader characterized in that an opening for limiting a spectroscopic object region is configured to coincide with a position of each sample or a part of each sample .
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