JP3691837B2 - Biochip analyzer - Google Patents

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    • G01N21/6428Measuring fluorescence of fluorescent products of reactions or of fluorochrome labelled reactive substances, e.g. measuring quenching effects, using measuring "optrodes"

Description

【技術分野】
【0001】
本発明は、検体遺伝子試料を蛍光色素で標識し、これをバイオチップ基板上の多数の微小スポットに固相化して配置された別個の遺伝子または遺伝子産物と反応させ、この標識試料が結合したバイオチップの位置と結合の程度を測定する、パラレルアッセイ法によるバイオチップの作製・反応・読取りを行うバイオチップ分析装置に関し、特に、試料中に存在する遺伝子または遺伝子産物などの定量を行う遺伝子分析や、同様に蛋白質の分析、それに免疫学関連の分析などに利用されるバイオチップ分析装置に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、遺伝子分析や蛋白質の分析、それに免疫学関連の分野で多数の試料と検体試料とを同時並行的に反応させ個々に分析を行うパラレルアッセイ法が利用されるようになった。この分析法は、多数の生物試料を固相化し、独立して配置したガラス板又はプラスチック板或いはシリコンウエハーであるバイオチップを利用する。この方法はデータを迅速に取得できること、試薬を節約できること、多数同時に解析できること、などの多くの利点がある。特にマイクロアレイや遺伝子チップと呼ばれる(以下バイオチップと総称する)、多数の遺伝子または遺伝子産物を基板上にプロットした基板を用いたパラレル遺伝子解析法が特に注目を集め、広く利用されるようになった。
オリゴヌクレオチドによる遺伝子解析を例に挙げて説明する。なお、この解析法は、蛋白質の解析や免疫関連の分析などにも利用する事ができる。従来バイオチップの作製、反応並びに読取りはそれぞれ専用機を利用し別々に実施されていた。
以下にバイオチップの作製・反応・読取りに関しての問題点を説明する。
バイオチップの作製法は、フォトリソグラフィ法、圧電技術を利用したジェットプリンティング法、メカニカルマイクロスポット法などが開発されている。このうち、フォトリソグラフィ法は、半導体素子製造法の露光技術を利用してバイオチップを作製する技術である。この技術によるバイオチップ作製はガラス基板上の微小な所定のオリゴヌクレオチドの配列位置にフォトマスクを通して選択的に光照射を行い、マスクされていない領域を通過した光が4種類の塩基に対応するホスホアミダイト試薬を活性化しカップリング反応を引き起こし、各カップリングステップで所定の領域で塩基を一個づつ付加し基板上に直接オリゴヌクレオチドを合成伸長させる。この方法は光活性化反応を利用して、基板上の微小スポットに多数の配列の異なるオリゴヌクレオチドを直接合成する為、オリゴヌクレオチドの配列データがあれば、バイオチップを作製できるという優れた長所がある。しかしながら、前記方法は半導体素子製造法に準じた大掛かりな装置を必要とする欠点を有するので、バイオチップのユーザーは専門メーカーが製作したバイオチップを購入して利用しているのが現状である。
フォトリソグラフィと光活性化カップリング反応を利用した、オリゴヌクレオチドの合成に関しては、非特許文献1または非特許文献2に発表されている。
しかし、発表された技術は、大掛かりな装置を必要とするものであった。この分野における小型化されたバイオチップ作製装置は、一例として、デジタルマイクロミラーデバイス(以下DMDと記す)を利用したものが特許文献1に提案されている。DMDは、微小なマイクロミラーを画素子とする反射型の空間光変調素子である。一例を挙げると、1280×1024個のマイクロミラーを二次元に配列したものが市販されている。しかし、信頼性の高いバイオチップの作製にはスポット位置によるバラツキを無くすこと、すなわち光学的条件として露光光の面内分布の一様性が重要である。上記光学的条件を確保するため、特許文献1に記載された装置では、フライアイレンズを用いたインテグレータ光学装置などの高価な光学装置を別に設置し、併用しなければならず、実用的ではない。
空間光変調素子としてDMDを利用した露光方法並びに装置は、特許文献2、特許文献3に提案されている。上記従来の露光技術はDMDの構造上機能しない。即ち、第4図に示す如く、DMD全体を収束光で照明すると、傾動されたマイクロミラーにより選択された対象試料を照明する光はDMDの設置面と平行な面hには焦点を結ばず、共焦点光学系を構築することができない。また、第5図に示す如く、DMDを平行光で照明した場合でも、対物レンズだけでは傾動されたマイクロミラーにより選択された対象試料を照明する光がすべて一点に集光する。従って、試料の観察点は集光点から拡散されてくる光によって照明される。またDMDを平行光で照明した場合には、マイクロミラーによる反射光の広がりを無視できない。
上記理由の他に、本来斜め方向から入射光を導入し照明されなければならないDMDに対して垂直な入射光で照明されている。更には、マイクロミラーは不安定な状態、すなわち傾動しない状態(電源のOFF状態)が利用されている。
特許文献1に提案されている方法と装置には、バイオチップ作製装置として利用する露光装置において、露光面の位置によるバラツキを排除し露光面の面内分布を一定にするための対策がなされていない。具体的には、外部にフライアイレンズなどを利用した高価な光学系を設置し、照明光を均一にする手段を別に設けなければならない。
次に、バイオチップの読取法並びにその装置に関する従来技術を説明する。フォトリソグラフィー方法で製作されたバイオチップだけに係わらず、他の方法で製作されたバイオチップも蛍光標識した被検試料と反応させ、バイオチップ上の微小スポットに結合した試料の蛍光強度を検出する。この検出には共焦点走査蛍光検出装置が利用されている。
共焦点走査蛍光検出装置は、焦点深度が浅く、焦点のずれた観察点以外から射出される蛍光を除外できるので、精度の高いバイオチップ読み取りが可能である。しかし、蛍光を励起するビームを走査するか、試料自体を動かして走査しなければならない。
ビームを走査する方式は、F-thetaレンズなどを利用し平らな検出フィールドを作らなければならないこと、及び、大きな開口数の対物レンズの採用が難しいことが挙げられる。一方、試料を走査する方式は共焦点システムの浅い焦点深度に見合った平面性が保持されなければならないので、機械的及び光学的設計が複雑になる欠点がある。これを解決する走査手段として、空間光変調器としてDMDを利用した装置が走査型顕微鏡として、特許文献4や特許文献5などに開示されている。
この開示されている装置をバイオチップの読取りに利用すると、読取装置間でバラツキが出ることが問題であった。バイオチップのスポットが微小であるため、蛍光発光量の不足は避けられない。この蛍光発光量が不足すると、装置の照明光や検出感度が位置により異なってしまい、上記の問題が発生する。即ち、均一な照明による検出になっていないことが原因であるが、上記の二つの特許にはその対策がなされていない。また、バイオチップの作製及び読取りには、それぞれ専用装置が存在し、個別に実施されているのが現状である。
【0003】
【特許文献1】
特開2000―40660号公報
【特許文献2】
特開平10-112579号公報
【特許文献3】
特表2001-500628号公報
【特許文献4】
米国特許第5,587,832号明細書
【特許文献5】
特開平11-194275号公報
【非特許文献1】
Foder他(1991)Science、Vol.251、P767
【非特許文献2】
Chee他(1996)Science、Vol.274、P610
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明の主たる目的は、従来のパラレルアッセイ法を利用するバイオチップ分析の問題点を解決することで、バイオチップの作製・反応・読取りの機能を備えたバイオチップ分析装置を提供することである。
本発明の他の目的は、均一照明を実現する照明光補正機能を持たせた空間光変調素子を用いて、再現性の高いバイオチップの作製を可能にしたバイオチップ分析装置を提供することである。
本発明の他の目的は、バイオチップの読取時において、照明励起光と検査感度の位置によるばらつきを無くし、高分解能で高速走査可能であり、高い信頼性を持たせたバイオチップ分析装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0005】
請求項1に係るバイオチップ分析装置は、単一の空間光変調素子と、露光照明用平面状光源で構成された第1光学系を備え、前記露光照明用平面状光源で前記空間光変調素子を結像照明し、バイオチップに複数配置するヌクレオチド又はペプチド又は糖鎖のスポットの配列レイアウトと各スポット上のヌクレオチド又はペプチド又は糖鎖の1次構造とから定まる露光パターンにより前記空間光変調素子を制御してバイオチップ基板上のヌクレオチド又はペプチド又は糖鎖を配するスポット位置を選択的に露光し、複数種類の塩基又はアミノ酸又は糖を所定の位置に光活性化カップリング反応を起こし、ヌクレオチド又はペプチド又は糖鎖の合成伸長を行うバイオチップ作製手段と、前記作製されたバイオチップと蛍光標識した被検試料とを反応させるバイオチップ反応手段と、蛍光励起用平面状光源で構成される第2光学系および該第2光学系を通して蛍光撮像を行う撮像手段を備え、前記蛍光励起用平面状光源を前記空間光変調素子に結像照明し、前記バイオチップ反応手段により被検試料と反応させたバイオチップ上の微小域を選択的に照明して前記微小域から射出される蛍光だけを前記撮像手段で選択的に撮像する共焦点走査を行うバイオチップ読取手段と、あらかじめ均一な蛍光板を被露光試料の換わりに仮設し、前記露光照明用平面状光源で空間光変調素子を結像照明したときの該空間光変調素子の各画素毎に対応する補正前の露光光の面内分布を測定する露光光分布測定手段と、あらかじめ均一な蛍光板をバイオチップの換わりに仮設し、前記蛍光励起用平面状光源で空間光変調素子を結像照明したときの該空間光変調素子の各画素毎に対応する補正前の励起光強度の面内分布を測定する励起光分布測定手段と、前記露光光分布測定手段により測定した、各画素に対応する補正前の露光光の強度の逆数をテーブル化して記憶し、露光時には前記テーブルを参照して、所定の露光パターンに従って各画素を制御する露光光補正手段と、前記励起光分布測定手段により測定した各画素毎に対応する補正前の励起光の強度の逆数をテーブル化して記憶し、読取り時には前記テーブルを参照して、各画素を制御する照明光補正手段と、前記各手段を制御する制御手段と、を備えていることを特徴とする。
【0006】
請求項2に係るバイオチップ分析装置は、単一の空間光変調素子と、露光照明用平面状光源で構成された光学系を備え、該露光照明用平面状光源で前記空間光変調素子を結像照明し、バイオチップに複数配置するヌクレオチド又はペプチド又は糖鎖のスポットの配列レイアウトと各スポット上のヌクレオチド又はペプチド又は糖鎖の1次構造により前記空間光変調素子を制御してバイオチップ基板上のヌクレオチド又はペプチド又は糖鎖のスポット位置を選択的に露光し複数種類の塩基又はアミノ酸又は糖を所定の位置に光活性化カップリング反応を起こし、ヌクレオチド又はペプチド又は糖鎖の合成伸長を行うバイオチップ作製手段と、あらかじめ均一な蛍光板を被露光試料の換わりに仮設し、前記露光照明用平面状光源で空間光変調素子を結像照明したときの該空間光変調素子の各画素毎に対応する補正前の露光光強度の面内分布を測定する露光光分布測定手段と、前記露光光分布測定手段により測定した、各画素に対応する補正前の露光光の強度の逆数をテーブル化して記憶し、露光時には前記テーブルを参照して、所定の露光パターンに従って各画素を制御する露光光補正手段と、を備えていることを特徴とする。
【0007】
請求項6に係るバイオチップ分析装置は、単一の空間光変調素子と、蛍光励起用平面状光源で構成される光学系および該光学系を通して蛍光撮像を行う撮像手段を備え、前記蛍光励起用平面状光源を前記空間光変調素子に結像照明し、前記バイオチップ反応手段により被検試料と反応させたバイオチップ上の微小域を選択的に照明して前記微小域から射出される蛍光だけを前記撮像手段で選択的に撮像する共焦点走査を行うバイオチップ読取手段と、あらかじめ均一な蛍光板をバイオチップの換わりに仮設し、前記蛍光励起用平面状光源で空間光変調素子を結像照明したときの該空間光変調素子の各画素毎に対応する補正前の励起光強度の面内分布を測定する励起光分布測定手段と、前記励起光分布測定手段により測定した各画素毎に対応する補正前の励起光の強度の逆数をテーブル化して記憶し、読取り時には前記テーブルを参照して、各画素を制御する励起光補正手段と、
を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、バイオチップの作製・反応・読取りの機能を備えたバイオチップ分析装置が、均一照明を実現する照明光補正機能を持たせた空間光変調素子が用いられているので、再現性の高いバイオチップの作製が可能である。またバイオチップの読取時には、照明励起光と検査感度の位置によるばらつきを無くし、高分解能で高速走査可能であり、高い信頼性を持たせることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0009】
本発明の実施例を添付の図面を参照しながら説明する。
【実施例1】
【0010】
第一の実施例におけるバイオチップ分析装置は、バイオチップ作製、被検試料との反応、及び読取りの一連の工程を実施することができる。本実施例は、バイオチップ作製時の露光とバイオチップ読取り時の蛍光励起用照明を共通の光学系で構成すると共に、バイオチップ作製時の露光光モニタとバイオチップ読取り時の撮像と励起光モニタを共通の光学系で構成しているバイオチップ分析装置である。
【0011】
図1において、光学系の中央にはバイオチップ1と対物レンズ2と結像レンズ3と空間光変調素子であるDMD6が設置され、中心光軸が形成されている。対物レンズ2と結像レンズ3は、バイオチップ1の作製時および読取り時において、次のように作用する。作製時にはバイオチップ1を照明露光し、読取り時にはDMD6の表面をバイオチップ1に結像させ、更にはバイオチップ1のスポットから射出された蛍光をDMD6表面に結像させる。
【0012】
光源20からの光は射出端が斜めに切断されたファイバーオプティックプレート24に入射し、その射出端に平面状光源が形成される。平面状光源の実像はレンズ25のレンズ機能によりダイクロイックミラー26を介してDMD6の鏡面に結像する。ファイバーオプティックプレート24の射出端、レンズ25、DMD6の鏡面はシャインプルーフの条件を満足する。本実施例においては、シャインプルーフの条件するようにレンズにアオリを加えた結象系を採用したが、レンズをシフトした結像系を採用することもできる。
【0013】
光源20は、光源A20、光源B20、光源C20から成り、読取時において二波長の蛍光励起と作製時において露光が可能になっている。3つの光源を切替える為にミラー23(23A,23B)が設置されている。ミラー23Aが所定の位置に導入されたときは光源A20が、ミラー23Bが所定の位置(図中実線)に導入されたときは光源B20がそれぞれ利用される。また、ミラー23A,23Bを図中破線の位置に退避させ、いずれのミラーも導入されないときには露光用光源C20が利用される。上記光学系の各波長の光源は必要に応じて増設することも可能である。
【0014】
次に平面状光源の実施態様を説明する。平面状光源は、エレクトロルミネッセンス(EL)素子などの面発光体によっても構成できる。しかし、発光層が厚いと、試料に結像して照明した際に、試料厚み方向(Z方向)の像が大きくなってしまい、Z方向の分解能が上がらない。平面状光源は厚みが薄い物ほど、Z方向の分解能をあげるのに有利である。以上の考察から、所定の光で照明した、散乱層が極めて薄い薄膜散乱体も平面状光源として利用可能である。薄膜散乱体は、例えば、Light Shaping Duffuser (POC社 米国CA.Torrance)が知られている。
【0015】
本発明は平面状光源を空間光変調素子に結像して照明し、この画素に対応させて撮像するので、空間光変調素子の画素1個に付き発光点が1個、または複数個対応していれば、EL素子などの連続面発光体でなくとも、離散的な点光源の面上アレイを利用可能である。面上アレイは、例えば、LEDやLaser Diodeの二次元アレイや所定の方法で照明されたマイクロレンズとピンホールの二次元アレイがある。面上アレイは、微細で十分点光源とみなせると共に、縮小光学系と組み合わせることによって、空間光変調素子の画素に対して1対1または1対複数個対応する点光源の2次元アレイによって構成する。
【0016】
同様に多数の光ファイバーを束にした光ファイバーバンドルの一端から所定の光を入射させ、反対側の光射出端や、同様にファイバーオティクプレートの光射出端、また同様にウレクサイトの光射出端は平面状光源として利用できる。例えば、3μ径のファイバーを束にしたファイバーオティクプレートは、空間光変調素子の一つの画素に、1本のファイバーの射出端である点光源が16〜25個割り振られる。空間光変調素子の一つの画素は、DMDの場合は16μ角のマイクロミラーである。反射型液晶パネルの場合は13.5μ角の液晶素子である。照明光補正手段を備えた場合は、空間光変調素子のどの画素にも最低1個の点光源が割り振られればよい。
【0017】
撮像系は、撮像レンズ27、フィルタ28(28A,28B,28C)、CCD29からなっており、バイオチップ1の蛍光実像を撮像する。フィルタ28は、撮像レンズ27とCCD29の中間に選択可能に設置され、蛍光色素に応じた波長を透過する。例えば、FITC,Cy3、Cy5の蛍光色素にはそれぞれ520nm、570nm、670nmを中心波長とするバンドパスフィルタが設置される。DMD6と撮像レンズ27、CCD29はシャインプルーフの条件を満足する。この撮像系は励起光の均一化、或いは露光光の均一化の際にも利用される。同様に、光の面内分布の測定ではモニタとしても利用される。
【0018】
コンピュータ・システム3は、パラレルアッセイ用バイオチップ1の分析に必要なDMD6の制御、薬液管理、温度管理、CCD29の制御、露光光や励起光を均一化する照明光補正などのソフトウエア、オフラインで利用するバイオチップ1の解析ソフトウエア、ユーザーインターフェースソフトウエアを搭載し、インターネットなどのネットワークに接続されているコンピュータ30、表示装置31、キーボード32、ポインテングデバイス33から構成される。
【0019】
恒温薬液供給システム4は、着装したバイオチップ1が上蓋を形成し、かつ設定された温度に保つフローセル41、コンピュータ30から制御される電磁弁44が設置された反応試薬容器42、洗浄液容器43、被検試料の導入手段から構成されており、バイオチップ作製時の光活性化カップリング反応の各ステップに同期して薬液や洗浄液を供給する。フローセル41は、バイオチップ1の作製時はもちろん被検試料との反応や読取時にも利用される。上記反応は遺伝子分析に利用する際には、特にハイブリダイズと呼ばれる。
【0020】
バイオチップ1の作製完了後、導入口45から被検試料をフローセル41中に導入し反応させる。読取りは、バイオチップ1をウエット状態、或いはドライ状態で行われる。ウエット状態での読取りは、高い蛍光収率になるという特長があり、液体中にバイオチップ1をさらして行われる。ドライ状態での読取りは、導入口45からクリーンなドライ窒素ガスを導入し、バイオチップ1を乾燥させて行われる。フローセル41の温度は、所定の設定が可能に構成されており、バイオチップ1の読取り時の温度変化による影響が調べられる。また、装置全体を10〜20度傾けて使用するための調整ねじ(図示していない)が設けられている。これはフローセル中に生じた気泡を追い出し、安定にバイオチップ1を分析するためである。
【0021】
本実施例によれば、バイオチップ1の分析操作を、フローセル41からバイオチップ1の着脱を行うことなく、すべて実施できるので、能率良くでき、かつ汚染が少ない。
空間光変調素子として採用したDMD6は、微小光偏向素子で、多数の微小なマイクロミラーが配列された構造になっている。個々のマイクロミラーは、個別にデジタル制御手段で所定の二つの角度傾動させることができる。すなわち、個々のマイクロミラーは二つの安定状態を持ち、外部から導入された光を二つの方向の光路に切り替える機能を有する。DMD6は、マイクロミラーの配列が800×600、1024×768、1280×1024、1920×1080など数種あり、またマイクロミラーを傾動する角度も±10度と±12度の2種類が販売されており、いずれでも適用できる。DMD6を制御することで、パターンによる露光(作製時)や共焦点走査蛍光検出(読取り時)を実現した。
【0022】
DMD6は、バイオチップ作製時とバイオチップ読取り時の両方で利用されている。作製時には、光源部20を露光光源Cに切換える。露光光源Cの光はファイバーオプティックプレート24に入射し、射出端に形成された平面状光源がDMD6を結像照明する。この結像照明光は、露光パターンに対応して傾動したDMD6のマイクロミラーによって反射される。この反射光は結像レンズ3、対物レンズ2を介して結像し、バイオチップ1の所定のスポット位置が露光される。
読取り時には、作製時に使用する露光光源Cから波長の異なる蛍光励起光源AまたはBに切換え、光路にミラー23Aまたは23Bを挿入する。光源AまたはBの光は、ファイバーオプテックプレート24に入射し、射出端に形成された平面状光源がDMD6上に結像されて第2光源となる。傾動されたマイクロミラーにより第2光源の微小域が切り出され、結像レンズ3と対物レンズ2が形成する光路によって、バイオチップ上に縮小結像される。この結像点から射出された蛍光が上記の光路を逆進し、マイクロミラーに結像する。マイクロミラー上の像は、ダイクロイックミラー26で蛍光だけに選別され撮像レンズ27により再び結像されてCCD29により撮像される。この際に蛍光フィルター28(28A,28B,28C)で混入した励起光を除外してS/Nを高める。
【0023】
本実施例は、対物レンズ2と結像レンズ3とからなる縮小光学系を採用したが、これに限定されない。光学系はバイオチップ1のサイズに応じて等倍光学系、或いは拡大光学系が取捨選択される。
【0024】
バイオチップの作製時における、露光光の均一化について説明する。フローセル41上に一様な蛍光板を設置し、個々のマイクロミラーに対応する蛍光強度をCCD15でモニタし、均一化する前の露光光の強度分布を測定する。ついで個々のマイクロミラーに対応する位置の露光光強度が一定値になるように、マイクロミラーごとの蛍光強度の逆数を算出し露光光補正テーブルを作成する。以下の二つの方法では露光光補正テーブルを利用する。
【0025】
第一の方法は、マイクロミラーごとの露光時間を制御する。バイオチップの作製時には露光光補正テーブルが参照され、マイクロミラーごとの露光時間を可変制御して短縮、或いは延長する。第二の方法はすべてのマイクロミラーで露光時間は一定に保つがマイクロミラーごとにバイナリーパルス幅変調(BPWM)を施し強度変調する。作製時には露光光補正テーブルが参照されて、個々のマイクロミラーの反射光に強度補正が施され、全体で均一な露光光が得られる。この露光光補正方法はバイオチップの作製時だけでなく、後述の読取り時にも利用される。
【0026】
バイオチップの読取り時における、共焦点光学系を形成する照明方法について説明する。光源からの光はファイバーオプチカルプレート24を通過し、その射出端面に平面状光源を発生させる。この平面状光源をDMD6の表面に結像させると、DMD6の表面に平面状光源の実像が生じる。DMD6上で選択された1個のマイクロミラーが傾動することによって、抽出された平面状光源の微小領域(16μ角)が対物レンズ2を通してバイオチップ1のスポットに照明される。すなわち、選択されたマイクロミラーに結像した平面状光源は、バイオチップ1の特定された読取り面の微小領域に対物レンズ2を通して縮小結像され、上記微小領域を照明する。この微小領域から射出される蛍光だけが前述のマイクロミラーを介して撮像される。傾動する1個のマイクロミラーをDMD6上で順次切換えて走査すると、バイオチップ1が共焦点蛍光走査される。
【0027】
前述の共焦点光学系の照明方法では走査されるマイクロミラーは1個として説明したが、これに限定されない。他の方法としては、焦点ずれ光や迷光を除去する空間光変調機能を保持する程度にDMD6上でマイクロミラーが十分離れていれば、複数のマイクロミラーを同時に併進して走査することができる。例えば、2000個のマイクロミラーを併進して走査することにより高速化を実現できる。
【0028】
共焦点蛍光走査手段と励起光補正手段とが単一の空間光変調素子によって同時に実現されている。読取り時の照明光の強度分布は(一様な)均一な蛍光板によって調整する。均一化前の蛍光強度を測定し、励起光補正テーブルが作成される。励起光補正テーブルは照明光源の数だけ個別に設けられる。これらの励起光補正テーブルは、読取り時に利用される光源に応じて参照され、露光光補正の第1の方法又は第2の方法により、位置による照明光と検出感度のバラツキが補正される。
【0029】
上記の補正機能はコンピュータとそれに搭載されたソフトウエアによって実現されている。
【実施例2】
【0030】
本発明の第二の実施例を説明する。第二の実施例は、LCOS(Liquid Crystalon Silicon)と呼ばれている反射型液晶パネルを空間光変調素子として利用したバイオチップ分析装置である。
【0031】
反射型液晶パネルは、個々の画素が微小な液晶セルであり、印加電圧(アナログ量)で反射される光の偏光方向が制御される。反射型液晶パネルとPBS(Polarized Beam Splitter)とを組み合わせると空間光変調、強度変調に利用することができる。反射型液晶パネルは、例えば、サイズが13.5μ×13.5μの液晶セルを1365×1024個集積されている。他にもさまざまな液晶セルサイズと集積数を有する反射型液晶パネルがある。本発明は透過型の液晶も利用可能である。透過型液晶パネルは画素の一部をTFTなどのスイッチング素子が領有するので有効な画素領域が全面を覆えないため、画面全体を滑らかに制御できないので、この事を考慮して設計する必要がある。
【0032】
図2は第二の実施例の光学系を示すもので、図1に示すコンピュータシステムと恒温薬液供給システムが省略されている。バイオチップの作製時に利用する露光用光源20Cとバイオチップの読取り時に利用する励起用光源20Aが設置されている。これらの光源はミラー23Cが光路に導入されることによって切り換えられる構成になっている。すなわちバイオチップ作製時にはミラー23Cが光路からはずされて露光用光源20Cが使用され、バイオチップの読取り時にはミラー23Cが光路に導入されて励起用光源20Aが使用される。前記のいずれかの光源からの光はファイバーオプチックプレート24に導入され、その射出端に平面状光源が生じる。この平面状光源を反射型液晶パネル60に結像する結像レンズ25と、蛍光を透過し励起光や露光光を反射するダイクロイックミラー26、偏光角によって光を分岐するPBS61が設置されている。バイオチップ1とPBS61の間には、結像レンズ3、対物レンズ2が設置されている。反射型液晶パネル60の表面は、PBS61を介してバイオチップ1の表面に結像される。CCD29は、蛍光像の撮像、或いは照明光のモニターのために利用される。CCD29には、撮像レンズ27によって反射型液晶パネル60の表面が結像される。
【0033】
上記の光学系では、液晶セルに印加するアナログ電圧によって液晶セルからの反射光の偏光角度が制御される。光量は、制御された光の偏光角度によって透過又は反射されるPBS61の光の分岐作用によって制御される。具体的には液晶セルに電圧を印加しない状態では光源からの光がPBS61を透過し、バイオチップを照明する。液晶セルに所定の最高電圧を印加した場合の光源からの光はPBS61によって反射されバイオチップを照明しない。液晶セルに最高電圧以下の中間の電圧を印加した場合は、印加電圧に逆比例する光量でバイオチップを照明する。
【0034】
本実施例ではコンピューターのアナログRGB画像出力端子と液晶パネル制御基板(図示せず)を接続した。空間光変調機能は、前述した個々の液晶セルを電圧制御することによって実現される。液晶セルを用いた空間光変調機能は、バイオチップの作製時の露光パターンを発生させるマスク機能又はバイオチップ読取り時の共焦点蛍光走査機能、或いはバイオチップ作製時と読取り時の両方に利用する照明光補正機能として利用される。これらの各機能については、第一の実施例と同一なので、その説明は省略する。
【実施例3】
【0035】
本発明の第三の実施例を説明する。第三の実施例は、機械的な切替えを行わないで二波長分析を可能にしたバイオチップ分析装置である。
一枚のバイオチップの読取りにおいて、2波長の蛍光の読出しを必要する場合がある。例えば、同一臓器の病変部位のRNAと正常部位のRNAを抽出し、各部位のRNAを逆転写したcDNAを波長の異なる2種類の蛍光色素、例えばCy3、Cy5で標識した後、混合して、一枚のバイオチップに反応させ、それぞれの比率を比較する分析などである。
【0036】
図3は第三の実施例の光学系を示すもので、コンピュータシステムと恒温薬液供給システムは省略されている。本実施例は、第一の実施例の蛍光励起用照明の光学系と撮像の光学系を波長ごとに独立して2組配置した2波長読取り可能なバイオチップ分析装置である。
【0037】
光学系の中央には、バイオチップ1と対物レンズ2と結像レンズ3と空間光変調素子であるDMD6が設置され、中心光軸が形成されている。対物レンズ2と結像レンズ3とは、バイオチップ作製時にはバイオチップ1を照明露光する。また、その読み取り時にはDMD4の表面をバイオチップ1に結像して所定のスポットを励起し、励起されたスポットから射出された蛍光をDMD4表面に結像させる機能を有する。
【0038】
蛍光検出波長の異なるA光学系(左)とB光学系(右)が中心光軸を対称に設置されている。A光学系は光源Aによる特定波長の蛍光励起用照明系と撮像系に加えて、光源Cによる露光光照明系を構成している。B光学系はA光学系とは異なる波長の蛍光励起用照明系と撮像系を構成している。両光学系には、蛍光励起用の光源AとB、露光照明用の光源C、ダイクロイックミラー26Aと26B、バンドパスフィルター28Aと28Bのそれぞれの波長ごとに異なる光学素子によって構成されている。その他の要素は同一である。ここでは、A光学系のみを説明する。
【0039】
A光学系は、切替え可能な特定波長の光源Aと露光光の光源Cを備え、切替えられた光源からの光をファイバーオプチカルプレート24に入射させ、その射出端に生じた平面光源の像を照明レンズ25によってDMD6の表面に結像する。照明レンズ25とDMD6の間には、励起光または露光光を反射し、蛍光を透過させる為のダイクロイックミラー26Aを設置する。
【0040】
バイオチップ作製時には、光源Cに切替えて第一の実施例と同様にバイオチップを作製する。バイオチップ読取時には、切替えた光源Aの特定波長の励起光によって第一の実施例と同様にバイオチップ1を読取る。
以上の構成により、バイオチップ1が共焦点蛍光走査され、バイオチップ1の蛍光情報を読取ることができる。
【0041】
A光学系とB光学系の双方を利用したバイオチップの読取りについて具体例を基に説明する。例えば、A光学系は蛍光色素としてCy3を利用した読取り、B光学系はCy5を利用した読取りを行う場合には、蛍光励起用の光源AとB、ダイクロイックミラー26Aと26B、バンドパスフィルター28Aと28Bをそれぞれの蛍光波長を570nm、670nmに適合したものを設置する。測定前に、均一なCy3の蛍光板をバイオチップの換わりに設置し、A光学系の補正テーブルを作成する。同様にCy5用のB光学系の補正テーブルを作成する。
バイオチップ1を設置し、まずA光学系にてCy3の蛍光情報を読取り、その後、B光学系に切換えてCy5の蛍光情報を読取る。
【0042】
本実施例によれば、光源やフィルタなどの機械的な切り換えが不必要で、光源の点灯と使用するCCDの切り換えだけで、2波長の蛍光を順次測定できる。
【0043】
本発明の他の実施形態を説明する。本実施形態は、上記の各実施例のバイオチップ分析装置を用いてバイオチップの作製と反応と読取りを実施するクライアントと、バイオチップの作製に必要なデータのクライアントへの提供とクライアントからの読取りデータに基づいてクライアントが要求するバイオチップ分析を実施するバイオチップ情報センタ−とをコンピュータネットワークに接続した、バイオチップ分析オンラインシステムを提供するものである。
【0044】
本システムは、コンピュータネットワークを通じて、オリゴヌクレオチドの配列データのセットや蛋白質のアミノ酸の配列データのセットと、ヌクレオチド又はペプチド又は糖鎖の1次構造とからなる情報を提供し、クライアントから読取り結果を回収し、分析結果を再びクライアントに返却する。上記オンラインシステムは、バイオチップの作製に必要な情報の提供および読取ったデータに基づく分析について課金する。
【0045】
図6において、クライアント側には、本発明のバイオチップ分析装置が設置される。バイオチップ情報センターには解析プログラムを内蔵したシステム本体と各種のバイオチップ作製データとバイオチップ解析データを蓄積したデータベースが設備されている。バイオチップ分析装置のコンピュータ・システム3とバイオチップ情報センタ−のシステム本体とをコンピュータネットワークで接続する。クライアントは複数存在するが一つだけ図示している。
【0046】
システム本体には、バイオチップ作製対応処理プログラム、バイオチップ解析対応処理プログラムを内蔵し、バイオチップの作製データベース、解析データーベースが設置されている。バイオチップ作製データベースにはバイオチップの作製に必要な遺伝子関連分析用と蛋白質分析関連用の塩基配列のセットやアミノ酸配列のセット、その他にバイオチップ上でのスポットの配列レイアウトを所定のデータ構造が蓄積されている。バイオチップ解析データベースには解析を実施する上で参照される既知の遺伝子や蛋白質の分類情報が蓄積されている。
【0047】
本システムの処理の流れについて、図6を参照しながら説明する。クライアントは、バイオチップ作製の準備が終了した後、バイオチップ分析装置をバイオチップ情報センタ−に接続し、バイオチップ作製対応処理プログラムとネットワークを通じて交信し、バイオチップのリストを要求する。リスト表示されたバイオチップ、例えば環境ホルモン応答遺伝子分析用バイオチップなどの様に分析項目に応じたバイオチップを選択発注する。バイオチップ情報センタ−は、クライアントから受けたバイオチップ及び解析項目を基に課金を計算する。その後、選択されたバイオチップの各スポットの塩基配列データのセットとバイオチップ上でのスポットの配列レイアウトからなるバイオチップ作製データを送信し、料金を通知する。バイオチップ分析装置はバイオチップ作製データを受けると、バイオチップの製作を実施する。
【0048】
作製したバイオチップは、手動またはバイオチップの完成のトリガー信号を受けて自動的に被検試料導入口から被検試料が導入され、ハイブリダイズなどの反応が実施される。バイオチップの反応終了のトリガー信号を受けて自動的にバイオチップの読取りを開始し、読み取ったデータをメモリに格納する。クライアントは、バイオチップ情報センターに対しバイオチップを指定して解析を要求する。バイオチップ情報センターは、クライアントの要求に応じてバイオチップ解析対応処理プログラムを起動し、クライアントに対して解析項目リストを送信する。解析項目リストは、可視化処理、クラスタ解析、構造階層解析、多型性の解析などの各種の処理や解析の項目が用意されている。クライアントは、表示された解析項目リストから所定の項目を選択して発注し、バイオチップ読取データを送信する。バイオチップ情報センターは、指定のバイオチップの解析項目を受注し、課金計算を行う共にバイオチップの読取りデーターを受信し、選択された解析項目による処理や分析を行い、その結果を送信する。クライアントは、解析結果、課金情報を受信し、確認情報を表示し、その内容を確認してメモリに格納する。
【0049】
本システムは本発明のバイオチップ分析装置だけを限定的にクライアントとするものではない。本発明のバイオチップ分析装置やバイオチップ読取り装置、またはネットワークに対応した他の既存のバイオチップ作製或いは読取り専用機でも利用することができる。また、本システムは本発明のバイオチップ分析装置をネットワークに接続し、他の装置で作製したバイオチップの読取りから解析、或いは予め準備されたバイオチップ読取データから解析などの各種形態で利用することができる。更には、本システムを利用して、CDやDVDなど記録媒体に記録したバイオチップ読取データを読取ってバイオチップ情報センターに解析を依頼することもできる。
【0050】
本システムによれば、クライアント側でバイオチップ作製対応処理プログラムとの交信直後にバイオチップ解析対応処理プログラムと交信して作製および解析の発注手続を行うことで、バイオチップの作製、反応、読取、解析のバイオチップによる一連の分析が全自動で実施される。この全自動とは、上記一連の分析操作の途中でオペレータの介在なく行われることである。
【0051】
本発明の他の実施形態
【0052】
本発明は、上記実施例のバイオチップ分析装置に限定されるものでなく、バイオチップの作製、反応、読取りのいずれかの機能の単独或いは組み合わせによって構成される装置にも適用できる。
また本発明は、バイオチップ以外にも従来のサザンブロット、ノーザンブロット法を、ラジオアイソトープによる標識・検出でなく蛍光色素による標識・検出で行う場合の蛍光強度分布の測定に応用できる。上記のサザンブロット、ノーザンブロット法は、ハイブリダイゼーションを利用した解析手法である。上記の用途としては、例えばナイロンやニトロセルロース膜やゲル膜などの蛍光強度分布の測定がある。また、蛍光強度分布の測定だけでなく励起光を要しない化学発光物質で標識を行った実験の化学発光の強度分布を測定する用途にも利用できる。この際には照明光と検出感度の補正のために、本実施例で用いた均一な蛍光板の替わりに均一に化学発光する試料を利用する。
【0053】
産業上の利用可能性
【0054】
(1)バイオチップ分析装置
従来フォトリソグラフィー法で用いられていたフォトマスクを利用することなしに空間光変調素子をソフトウエア上からの制御で実現される。
露光光補正について、従来のフライアイレンズなどによるハードウエアによる照明の均一化法とは異なり、本発明は個々の装置ごとに露光光の補正するので、装置間のバラツキを排除することができると共に、光源の切替や交換にも柔軟に対応することができる。また、露光光補正手段は、露光パターンを発生する空間光変調素子に、あわせもたせることが出きるので装置の小型化、低価格化に貢献する。
バイオチップの読取りは、従来の共焦点走査機能を空間光変調素子を利用してソフトウェア上からの制御で実現できる。また、空間光変調素子ごとに照明光強度を調整して照明光の面内分布を改善し、位置による照明光と検出感度のバラツキが補正される。
【0055】
(2)バイオチップオンライン分析システム
クライアント側のバイオチップ分析装置とバイオチップ情報センターのシステム本体をコンピュータネットワークで接続する。クライアントは、バイオチップ情報センターに対してオンラインにより発注したバイオチップの配列データ及び一次構造データのセット情報をバイオチップ分析装置が受け取る。バイオチップ分析装置は、上記のセット情報を基にバイオチップの作製、反応、読取りの各工程を実施すると共に、バイオチップの読取りデータをバイオチップ情報センターが回収し、クライアントが指定した解析項目に従ってバイオチップ解析を行う。その解析データをクライアントに送信する。これによりクライアントが手持ちの被検試料を分析できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【0056】
【図1】本発明の第一の実施例に係るDMDを用いたバイオチップ分析装置の光学系と制御系のシステム構成図である。
【図2】本発明の第二の実施例に係る反射型液晶パネルを用いたバイオチップ分析装置の光学系と制御系のシステム構成図である。
【図3】本発明の第三の実施例に係る二波長で分析可能なバイオチップ分析装置の光学系のシステム構成図である。
【図4】集束光でDMDを照明した場合の焦点位置を示す図である。
【図5】平行光でDMDを照明した場合の焦点位置を示す図である。
【図6】オンライン分析システムの概念図およびバイオチップの作製から解析までのフロー図である。
【Technical field】
[0001]
In the present invention, a specimen gene sample is labeled with a fluorescent dye, and this is reacted with a separate gene or gene product arranged on a large number of microspots on a biochip substrate, and the labeled sample is bound thereto. It relates to biochip analyzers that produce, react, and read biochips using a parallel assay method that measures the position of the chip and the degree of binding, especially for gene analysis and quantification of genes or gene products present in samples. Similarly, the present invention relates to a biochip analyzer used for protein analysis and immunology-related analysis.
[Background]
[0002]
In recent years, parallel assay methods in which a large number of samples and specimen samples are reacted in parallel and analyzed individually in the fields of gene analysis, protein analysis, and immunology have come to be used. This analysis method uses a biochip which is a glass plate or a plastic plate or a silicon wafer that is solid-phased on a large number of biological samples and arranged independently. This method has many advantages such as being able to acquire data quickly, saving reagents, and being able to analyze many simultaneously. A parallel gene analysis method using a substrate in which a large number of genes or gene products are plotted on a substrate, particularly called a microarray or gene chip (hereinafter collectively referred to as a biochip), has attracted particular attention and has become widely used. .
The gene analysis using oligonucleotides will be described as an example. This analysis method can also be used for protein analysis and immune-related analysis. Conventionally, the production, reaction, and reading of biochips have been performed separately using dedicated machines.
The problems related to biochip fabrication, reaction, and reading are described below.
Biochip manufacturing methods such as photolithography, jet printing using piezoelectric technology, and mechanical microspot have been developed. Among these, the photolithography method is a technology for producing a biochip using the exposure technology of the semiconductor element manufacturing method. Biochip production by this technique is carried out by selectively irradiating light through a photomask at a predetermined position of a predetermined oligonucleotide on a glass substrate, and the light that has passed through the unmasked region corresponds to four types of phospho The amidite reagent is activated to cause a coupling reaction, and in each coupling step, a base is added one by one in a predetermined region to synthesize and extend the oligonucleotide directly on the substrate. This method uses a photoactivation reaction to directly synthesize a large number of oligonucleotides with different sequences in a microspot on the substrate. Therefore, if oligonucleotide sequence data is available, a biochip can be produced. is there. However, since the above method has a drawback of requiring a large-scale apparatus according to the semiconductor element manufacturing method, the user of the biochip currently purchases and uses a biochip manufactured by a specialized manufacturer.
Non-patent document 1 or non-patent document 2 discloses the synthesis of oligonucleotides utilizing photolithography and a photo-activated coupling reaction.
However, the announced technology required a large-scale device. As an example of a miniaturized biochip manufacturing apparatus in this field, an apparatus using a digital micromirror device (hereinafter referred to as DMD) is proposed in Patent Document 1. The DMD is a reflective spatial light modulation element using a micromirror as an image element. As an example, 1280 × 1024 micromirrors arranged in two dimensions are commercially available. However, for the production of a highly reliable biochip, it is important to eliminate the variation due to the spot position, that is, the uniformity of the in-plane distribution of the exposure light as an optical condition. In order to ensure the optical conditions described above, the apparatus described in Patent Document 1 is not practical because an expensive optical device such as an integrator optical device using a fly-eye lens must be separately installed and used together. .
An exposure method and apparatus using DMD as a spatial light modulation element are proposed in Patent Document 2 and Patent Document 3. The above conventional exposure technique does not function due to the structure of the DMD. That is, as shown in FIG. 4, when the entire DMD is illuminated with convergent light, the light that illuminates the target sample selected by the tilted micromirror does not focus on the plane h parallel to the DMD installation surface. A confocal optical system cannot be constructed. Further, as shown in FIG. 5, even when the DMD is illuminated with parallel light, all the light for illuminating the selected target sample is condensed at one point by the tilted micromirror only with the objective lens. Therefore, the observation point of the sample is illuminated with light diffused from the condensing point. In addition, when the DMD is illuminated with parallel light, the spread of reflected light by the micromirror cannot be ignored.
In addition to the above reasons, illumination is performed with incident light perpendicular to DMD, which must be illuminated by introducing incident light from an oblique direction. Furthermore, an unstable state, that is, a state where the micromirror does not tilt (power OFF state) is used.
In the method and apparatus proposed in Patent Document 1, in an exposure apparatus used as a biochip manufacturing apparatus, measures are taken to eliminate variations due to the position of the exposure surface and to make the in-plane distribution of the exposure surface constant. Absent. Specifically, an expensive optical system using a fly-eye lens or the like is installed outside, and a means for making the illumination light uniform must be provided separately.
Next, a conventional technique related to a biochip reading method and apparatus will be described. Regardless of the biochip manufactured by the photolithographic method, the biochip manufactured by another method is also reacted with the fluorescently labeled test sample, and the fluorescence intensity of the sample bound to the micro spot on the biochip is detected. . A confocal scanning fluorescence detector is used for this detection.
Since the confocal scanning fluorescence detection apparatus has a shallow depth of focus and can exclude fluorescence emitted from other than the observation point out of focus, high-accuracy biochip reading is possible. However, the beam that excites fluorescence must be scanned or moved by moving the sample itself.
In the method of scanning the beam, it is necessary to create a flat detection field using an F-theta lens or the like, and it is difficult to employ an objective lens having a large numerical aperture. On the other hand, the method of scanning the sample has a drawback that the mechanical and optical design is complicated because the flatness corresponding to the shallow depth of focus of the confocal system must be maintained. As scanning means for solving this problem, an apparatus using a DMD as a spatial light modulator is disclosed as a scanning microscope in Patent Document 4, Patent Document 5, and the like.
When this disclosed apparatus is used for reading a biochip, there is a problem that variations occur between reading apparatuses. Since the biochip spot is very small, a shortage of fluorescence emission is inevitable. If this amount of fluorescent light emission is insufficient, the illumination light and detection sensitivity of the apparatus vary depending on the position, and the above problem occurs. That is, it is because the detection is not performed by uniform illumination, but the above two patents do not take measures. In addition, there are dedicated devices for producing and reading biochips, which are currently implemented individually.
[0003]
[Patent Document 1]
Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-40660
[Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 10-112579
[Patent Document 3]
Special table 2001-500628
[Patent Document 4]
U.S. Pat.No. 5,587,832
[Patent Document 5]
Japanese Patent Laid-Open No. 11-194275
[Non-Patent Document 1]
Foder et al. (1991) Science, Vol.251, P767
[Non-Patent Document 2]
Chee et al. (1996) Science, Vol.274, P610
DISCLOSURE OF THE INVENTION
[Problems to be solved by the invention]
[0004]
The main object of the present invention is to provide a biochip analyzer having biochip production, reaction, and reading functions by solving the problems of biochip analysis using a conventional parallel assay method. .
Another object of the present invention is to provide a biochip analyzer that can produce a biochip with high reproducibility by using a spatial light modulation element having an illumination light correction function for realizing uniform illumination. is there.
Another object of the present invention is to provide a biochip analyzer capable of high-resolution, high-speed scanning and high reliability, eliminating variations due to the position of illumination excitation light and inspection sensitivity when reading a biochip. It is to be.
[Means for Solving the Problems]
[0005]
The biochip analyzer according to claim 1 includes a first optical system composed of a single spatial light modulation element and a planar light source for exposure illumination, and the spatial light modulation element using the planar light source for exposure illumination. The spatial light modulator is formed by an exposure pattern determined from an array layout of spots of nucleotides or peptides or sugar chains arranged on a biochip and a primary structure of nucleotides or peptides or sugar chains on each spot. And selectively exposing a spot position on the biochip substrate where nucleotides, peptides or sugar chains are arranged, causing a photo-activated coupling reaction at a predetermined position with a plurality of types of bases or amino acids or sugars. A biochip preparation means for synthesizing and extending a peptide or a sugar chain is reacted with the prepared biochip and a fluorescently labeled test sample. And a second optical system composed of a fluorescence excitation planar light source and an imaging means for performing fluorescence imaging through the second optical system, wherein the spatial light modulation element is used as the fluorescence excitation planar light source. The imaging device illuminates and selectively illuminates a micro area on the biochip reacted with the test sample by the biochip reaction means, and selectively captures only the fluorescence emitted from the micro area by the imaging means. A biochip reading means for performing confocal scanning, and a spatial light modulation element when a spatial light modulation element is imaged with a planar light source for exposure illumination by temporarily setting a uniform fluorescent plate instead of a sample to be exposed in advance The exposure light distribution measuring means for measuring the in-plane distribution of the exposure light before correction corresponding to each pixel and a uniform fluorescent plate are temporarily installed instead of the biochip in advance, An excitation light distribution measuring means for measuring the in-plane distribution of the excitation light intensity before correction corresponding to each pixel of the spatial light modulation element when the interspace light modulation element is imaged and illuminated, and the exposure light distribution measuring means The measured reciprocal of the intensity of the exposure light before correction corresponding to each pixel is stored in a table, the exposure light correction means for controlling each pixel according to a predetermined exposure pattern with reference to the table at the time of exposure, Illumination light correction means for controlling each pixel by referring to the table when reading and storing the reciprocal of the intensity of excitation light before correction corresponding to each pixel measured by the excitation light distribution measurement means, And a control means for controlling each means.
[0006]
The biochip analyzer according to claim 2 comprises an optical system composed of a single spatial light modulator and a planar light source for exposure illumination, and the spatial light modulator is connected by the planar light source for exposure illumination. The spatial light modulator is controlled on the biochip substrate according to the array layout of the spots of nucleotides, peptides, or sugar chains that are image-illuminated and arranged on the biochip and the primary structure of nucleotides, peptides, or sugar chains on each spot Bios in which the nucleotide, peptide, or sugar chain spot position is selectively exposed to cause a photo-activated coupling reaction at a predetermined position with a plurality of types of bases, amino acids, or sugars, and the nucleotide, peptide, or sugar chain is synthesized and elongated. A spatial light modulation element using a planar light source for exposure illumination, in which a chip preparation means and a uniform fluorescent plate are temporarily installed instead of the sample to be exposed. Exposure light distribution measuring means for measuring an in-plane distribution of exposure light intensity before correction corresponding to each pixel of the spatial light modulation element when imaged illumination is performed, and each pixel measured by the exposure light distribution measuring means Exposure light correction means for storing the reciprocal of the intensity of the exposure light before correction corresponding to the table, and storing each table in accordance with a predetermined exposure pattern with reference to the table during exposure. Features.
[0007]
The biochip analyzer according to claim 6 comprises an optical system composed of a single spatial light modulator and a planar light source for fluorescence excitation, and imaging means for performing fluorescence imaging through the optical system, Only a fluorescent light emitted from the microscopic area by selectively illuminating a microscopic area on the biochip reacted with the test sample by the biochip reaction means by illuminating the spatial light modulator with a planar light source. A biochip reading means for performing confocal scanning to selectively pick up images with the imaging means, and a uniform fluorescent plate in advance instead of the biochip, and the spatial light modulator is imaged by the planar light source for fluorescence excitation Excitation light distribution measuring means for measuring the in-plane distribution of the excitation light intensity before correction corresponding to each pixel of the spatial light modulation element, and corresponding to each pixel measured by the excitation light distribution measuring means. Storing the reciprocal of the intensity of the excitation light before the correction table of to an excitation light correcting means at the time of reading by referring to the table, to control each pixel,
It is characterized by having.
【The invention's effect】
[0008]
According to the present invention, a biochip analyzer having biochip production, reaction, and reading functions uses a spatial light modulation element having an illumination light correction function that realizes uniform illumination. It is possible to produce highly biochips. Further, when reading the biochip, it is possible to eliminate variations due to the position of the illumination excitation light and the inspection sensitivity, perform high-speed scanning with high resolution, and provide high reliability.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[0009]
Embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[Example 1]
[0010]
The biochip analyzer in the first embodiment can perform a series of steps of biochip production, reaction with a test sample, and reading. In the present embodiment, the illumination for fluorescence excitation at the time of biochip production and the fluorescence excitation illumination at the time of biochip reading are configured by a common optical system, and the exposure light monitor at the time of biochip production and the imaging at the time of biochip reading and the excitation light monitor This is a biochip analyzer comprising a common optical system.
[0011]
In FIG. 1, a biochip 1, an objective lens 2, an imaging lens 3, and a DMD 6 that is a spatial light modulation element are installed in the center of the optical system, and a central optical axis is formed. The objective lens 2 and the imaging lens 3 operate as follows when the biochip 1 is manufactured and read. At the time of production, the biochip 1 is illuminated and exposed, and at the time of reading, the surface of the DMD 6 is imaged on the biochip 1, and further, the fluorescence emitted from the spot of the biochip 1 is imaged on the surface of the DMD 6.
[0012]
The light from the light source 20 enters the fiber optic plate 24 whose exit end is cut obliquely, and a planar light source is formed at the exit end. A real image of the planar light source is formed on the mirror surface of the DMD 6 via the dichroic mirror 26 by the lens function of the lens 25. The exit end of the fiber optic plate 24, the lens 25, and the mirror surface of the DMD 6 satisfy the Scheinproof condition. In the present embodiment, a symptom system in which the lens is tilted so as to satisfy the Scheimpflug condition is employed, but an imaging system in which the lens is shifted can also be employed.
[0013]
The light source 20 is composed of a light source A20, a light source B20, and a light source C20, and can be subjected to two-wavelength fluorescence excitation during reading and exposure during production. A mirror 23 (23A, 23B) is installed to switch the three light sources. When the mirror 23A is introduced at a predetermined position, the light source A20 is used, and when the mirror 23B is introduced at a predetermined position (solid line in the figure), the light source B20 is used. Further, the mirrors 23A and 23B are retracted to the positions of the broken lines in the drawing, and when neither mirror is introduced, the exposure light source C20 is used. The light source of each wavelength of the optical system can be added as necessary.
[0014]
Next, an embodiment of the planar light source will be described. The planar light source can also be constituted by a surface light emitter such as an electroluminescence (EL) element. However, if the light emitting layer is thick, when the sample is imaged and illuminated, the image in the sample thickness direction (Z direction) becomes large, and the resolution in the Z direction does not increase. The thinner the planar light source is, the more advantageous it is to increase the resolution in the Z direction. From the above consideration, a thin film scatterer with a very thin scattering layer illuminated with predetermined light can also be used as a planar light source. For example, Light Shaping Duffuser (POC USA CA. Torrance) is known as a thin film scatterer.
[0015]
In the present invention, a planar light source is imaged and illuminated on a spatial light modulation element, and imaging is performed in correspondence with this pixel. Therefore, one or a plurality of light emission points correspond to one pixel of the spatial light modulation element. If so, a discrete array of point light sources can be used instead of a continuous surface light emitter such as an EL element. Examples of the on-plane array include a two-dimensional array of LEDs and a laser diode, and a two-dimensional array of microlenses and pinholes illuminated by a predetermined method. The on-surface array can be regarded as a fine and sufficient point light source, and is configured by a two-dimensional array of point light sources corresponding to one-to-one or a plurality of one-to-one with respect to the pixels of the spatial light modulator by combining with a reduction optical system. .
[0016]
Similarly, predetermined light is incident from one end of an optical fiber bundle in which a number of optical fibers are bundled, and the light exit end on the opposite side, the light exit end of the fiber optic plate, and the light exit end of the urexite are also flat. Can be used as a light source. For example, in a fiber optic plate in which 3 μ-diameter fibers are bundled, 16 to 25 point light sources that are emission ends of one fiber are allocated to one pixel of the spatial light modulator. In the case of DMD, one pixel of the spatial light modulation element is a 16 μ square micromirror. In the case of a reflective liquid crystal panel, it is a 13.5 μ square liquid crystal element. When the illumination light correction means is provided, it is sufficient that at least one point light source is allocated to any pixel of the spatial light modulator.
[0017]
The imaging system includes an imaging lens 27, a filter 28 (28A, 28B, 28C), and a CCD 29, and captures a fluorescent real image of the biochip 1. The filter 28 is installed so as to be selectable between the imaging lens 27 and the CCD 29, and transmits a wavelength corresponding to the fluorescent dye. For example, band pass filters having center wavelengths of 520 nm, 570 nm, and 670 nm are installed in the FITC, Cy3, and Cy5 fluorescent dyes, respectively. The DMD 6, the imaging lens 27, and the CCD 29 satisfy the Scheimpflug condition. This imaging system is also used for uniformizing excitation light or exposure light. Similarly, it is also used as a monitor in measuring the in-plane distribution of light.
[0018]
Computer system 3 is software for offline control, such as DMD6 control, chemical solution management, temperature management, CCD29 control, illumination light correction that makes exposure light and excitation light uniform, which is necessary for analysis of biochip 1 for parallel assay. It comprises a computer 30, a display device 31, a keyboard 32, and a pointing device 33 that are equipped with analysis software and user interface software for the biochip 1 to be used and are connected to a network such as the Internet.
[0019]
The constant temperature chemical supply system 4 includes a flow cell 41 in which the worn biochip 1 forms an upper lid and maintains a set temperature, a reaction reagent container 42 in which an electromagnetic valve 44 controlled from the computer 30 is installed, a cleaning liquid container 43, A test sample introduction means is provided, and a chemical solution and a cleaning solution are supplied in synchronization with each step of the photo-activated coupling reaction at the time of biochip production. The flow cell 41 is used not only for the production of the biochip 1 but also for the reaction with the test sample and the reading. The above reaction is particularly called hybridization when it is used for gene analysis.
[0020]
After the production of the biochip 1 is completed, a test sample is introduced into the flow cell 41 from the introduction port 45 and reacted. Reading is performed with the biochip 1 in a wet state or a dry state. Reading in the wet state is characterized by a high fluorescence yield, and is performed by exposing the biochip 1 to a liquid. Reading in the dry state is performed by introducing clean dry nitrogen gas from the inlet 45 and drying the biochip 1. The temperature of the flow cell 41 is configured to be able to be set to a predetermined value, and the influence of the temperature change when the biochip 1 is read is examined. In addition, an adjustment screw (not shown) for tilting the entire apparatus by 10 to 20 degrees is used. This is for expelling bubbles generated in the flow cell and analyzing the biochip 1 stably.
[0021]
According to the present embodiment, all the analysis operations of the biochip 1 can be performed without attaching or detaching the biochip 1 from the flow cell 41, so that the efficiency can be improved and the contamination is small.
The DMD 6 employed as the spatial light modulation element is a minute light deflecting element and has a structure in which a large number of minute micromirrors are arranged. Individual micromirrors can be individually tilted at two predetermined angles by digital control means. That is, each micromirror has two stable states, and has a function of switching light introduced from the outside to optical paths in two directions. DMD6 has several types of micromirrors such as 800 × 600, 1024 × 768, 1280 × 1024, 1920 × 1080, and two types of tilt angles are available: ± 10 degrees and ± 12 degrees. Any of them can be applied. By controlling DMD6, pattern exposure (during production) and confocal scanning fluorescence detection (during reading) were realized.
[0022]
DMD6 is used for both biochip fabrication and biochip reading. At the time of production, the light source unit 20 is switched to the exposure light source C. The light from the exposure light source C enters the fiber optic plate 24, and a planar light source formed at the exit end illuminates the DMD 6. The imaging illumination light is reflected by the DMD 6 micromirror tilted in accordance with the exposure pattern. The reflected light forms an image through the imaging lens 3 and the objective lens 2 and a predetermined spot position on the biochip 1 is exposed.
At the time of reading, the exposure light source C used for production is switched to the fluorescence excitation light source A or B having a different wavelength, and the mirror 23A or 23B is inserted in the optical path. The light from the light source A or B enters the fiber optic plate 24, and a planar light source formed at the exit end is imaged on the DMD 6 to become a second light source. A microscopic region of the second light source is cut out by the tilted micromirror, and reduced image is formed on the biochip by the optical path formed by the imaging lens 3 and the objective lens 2. Fluorescence emitted from this imaging point travels backward along the optical path and forms an image on the micromirror. The image on the micromirror is selected only for fluorescence by the dichroic mirror 26, imaged again by the imaging lens 27, and imaged by the CCD 29. At this time, the S / N is increased by excluding the excitation light mixed by the fluorescent filter 28 (28A, 28B, 28C).
[0023]
In this embodiment, a reduction optical system including the objective lens 2 and the imaging lens 3 is used, but the present invention is not limited to this. As the optical system, an equal-magnification optical system or an enlargement optical system is selected according to the size of the biochip 1.
[0024]
The uniformization of exposure light during the production of a biochip will be described. A uniform fluorescent plate is installed on the flow cell 41, the fluorescence intensity corresponding to each micromirror is monitored by the CCD 15, and the intensity distribution of the exposure light before being uniformed is measured. Next, an exposure light correction table is created by calculating the reciprocal of the fluorescence intensity for each micromirror so that the exposure light intensity at the position corresponding to each micromirror has a constant value. The following two methods use an exposure light correction table.
[0025]
The first method controls the exposure time for each micromirror. When producing a biochip, the exposure light correction table is referred to, and the exposure time for each micromirror is variably controlled to shorten or extend. In the second method, the exposure time is kept constant for all micromirrors, but intensity modulation is performed by applying binary pulse width modulation (BPWM) to each micromirror. At the time of manufacture, the exposure light correction table is referred to, and intensity correction is performed on the reflected light of each micromirror, so that uniform exposure light can be obtained as a whole. This exposure light correction method is used not only at the time of manufacturing a biochip but also at the time of reading described later.
[0026]
An illumination method for forming a confocal optical system at the time of reading a biochip will be described. Light from the light source passes through the fiber optical plate 24, and a planar light source is generated on the exit end face thereof. When this planar light source is imaged on the surface of DMD 6, a real image of the planar light source is generated on the surface of DMD 6. By tilting one micromirror selected on the DMD 6, the extracted microscopic area (16 μ square) of the planar light source is illuminated on the spot of the biochip 1 through the objective lens 2. That is, the planar light source imaged on the selected micromirror is reduced and imaged through the objective lens 2 on the minute area of the specified reading surface of the biochip 1 to illuminate the minute area. Only the fluorescence emitted from this minute region is imaged through the aforementioned micromirror. When one tilting micromirror is sequentially switched and scanned on the DMD 6, the biochip 1 is scanned by confocal fluorescence.
[0027]
In the above-described confocal optical system illumination method, one micromirror is scanned, but the present invention is not limited to this. As another method, if the micromirrors are sufficiently separated on the DMD 6 to maintain a spatial light modulation function for removing defocused light and stray light, a plurality of micromirrors can be simultaneously translated and scanned. For example, high speed can be realized by scanning 2000 micromirrors in parallel.
[0028]
The confocal fluorescence scanning means and the excitation light correcting means are realized simultaneously by a single spatial light modulation element. The intensity distribution of the illumination light at the time of reading is adjusted by a (uniform) uniform fluorescent screen. The fluorescence intensity before homogenization is measured, and an excitation light correction table is created. As many excitation light correction tables as the number of illumination light sources are provided. These excitation light correction tables are referred to according to the light source used at the time of reading, and variations in illumination light and detection sensitivity depending on the position are corrected by the first or second exposure light correction method.
[0029]
The above correction function is realized by a computer and software installed therein.
[Example 2]
[0030]
A second embodiment of the present invention will be described. The second embodiment is a biochip analyzer using a reflective liquid crystal panel called LCOS (Liquid Crystalon Silicon) as a spatial light modulator.
[0031]
The reflection type liquid crystal panel is a liquid crystal cell in which individual pixels are minute, and the polarization direction of light reflected by an applied voltage (analog amount) is controlled. Combining a reflective liquid crystal panel and PBS (Polarized Beam Splitter) can be used for spatial light modulation and intensity modulation. The reflective liquid crystal panel has, for example, 1365 × 1024 liquid crystal cells each having a size of 13.5 μ × 13.5 μ integrated. In addition, there are reflective liquid crystal panels having various liquid crystal cell sizes and integration numbers. The present invention can also use a transmissive liquid crystal. The transmissive LCD panel is partly covered by switching elements such as TFTs, so the effective pixel area does not cover the entire surface, and the entire screen cannot be controlled smoothly. .
[0032]
FIG. 2 shows the optical system of the second embodiment, in which the computer system and the constant temperature chemical supply system shown in FIG. 1 are omitted. An exposure light source 20C used at the time of manufacturing the biochip and an excitation light source 20A used at the time of reading the biochip are installed. These light sources are configured to be switched by introducing a mirror 23C into the optical path. That is, when the biochip is manufactured, the mirror 23C is removed from the optical path and the exposure light source 20C is used. When the biochip is read, the mirror 23C is introduced into the optical path and the excitation light source 20A is used. Light from any of the light sources is introduced into the fiber optic plate 24, and a planar light source is generated at the exit end. An imaging lens 25 that forms an image of this planar light source on the reflective liquid crystal panel 60, a dichroic mirror 26 that transmits fluorescence and reflects excitation light and exposure light, and a PBS 61 that branches light depending on the polarization angle are installed. An imaging lens 3 and an objective lens 2 are installed between the biochip 1 and the PBS 61. The surface of the reflective liquid crystal panel 60 is imaged on the surface of the biochip 1 via the PBS 61. The CCD 29 is used for capturing a fluorescent image or monitoring illumination light. The surface of the reflective liquid crystal panel 60 is imaged on the CCD 29 by the imaging lens 27.
[0033]
In the above optical system, the polarization angle of the reflected light from the liquid crystal cell is controlled by an analog voltage applied to the liquid crystal cell. The amount of light is controlled by the branching action of the PBS 61 light transmitted or reflected by the controlled polarization angle of the light. Specifically, when no voltage is applied to the liquid crystal cell, light from the light source passes through the PBS 61 and illuminates the biochip. When a predetermined maximum voltage is applied to the liquid crystal cell, the light from the light source is reflected by the PBS 61 and does not illuminate the biochip. When an intermediate voltage equal to or lower than the maximum voltage is applied to the liquid crystal cell, the biochip is illuminated with a light amount inversely proportional to the applied voltage.
[0034]
In this embodiment, an analog RGB image output terminal of a computer and a liquid crystal panel control board (not shown) are connected. The spatial light modulation function is realized by controlling the voltage of each liquid crystal cell described above. The spatial light modulation function using a liquid crystal cell is a mask function that generates an exposure pattern during biochip fabrication, a confocal fluorescence scanning function during biochip reading, or illumination that is used both during biochip fabrication and reading. Used as a light correction function. Since these functions are the same as those in the first embodiment, the description thereof is omitted.
[Example 3]
[0035]
A third embodiment of the present invention will be described. The third embodiment is a biochip analyzer that enables two-wavelength analysis without mechanical switching.
In reading a single biochip, it may be necessary to read two wavelengths of fluorescence. For example, the RNA of the lesion site and the RNA of the normal site of the same organ are extracted, and the cDNA obtained by reverse transcription of the RNA of each site is labeled with two types of fluorescent dyes having different wavelengths, such as Cy3 and Cy5, and then mixed. For example, analysis is performed by reacting to a single biochip and comparing the respective ratios.
[0036]
FIG. 3 shows the optical system of the third embodiment, in which the computer system and the constant temperature chemical supply system are omitted. The present embodiment is a biochip analyzer capable of reading two wavelengths, in which two sets of the fluorescence excitation illumination optical system and the imaging optical system of the first embodiment are arranged independently for each wavelength.
[0037]
At the center of the optical system, a biochip 1, an objective lens 2, an imaging lens 3, and a DMD 6 that is a spatial light modulation element are installed to form a central optical axis. The objective lens 2 and the imaging lens 3 illuminate and expose the biochip 1 when producing the biochip. Further, at the time of reading, the surface of DMD 4 is imaged on biochip 1 to excite a predetermined spot, and the fluorescence emitted from the excited spot is imaged on the surface of DMD 4.
[0038]
A optical system (left) and B optical system (right) having different fluorescence detection wavelengths are installed symmetrically with respect to the central optical axis. The A optical system constitutes an exposure light illumination system using a light source C in addition to a fluorescence excitation illumination system and an imaging system having a specific wavelength by the light source A. The B optical system constitutes a fluorescence excitation illumination system and an imaging system having a wavelength different from that of the A optical system. Both optical systems are composed of different optical elements for the respective wavelengths of the light sources A and B for fluorescence excitation, the light source C for exposure illumination, the dichroic mirrors 26A and 26B, and the bandpass filters 28A and 28B. Other elements are the same. Here, only the A optical system will be described.
[0039]
The A optical system includes a light source A having a switchable specific wavelength and a light source C for exposure light, makes light from the switched light source incident on the fiber optical plate 24, and illuminates an image of the planar light source generated at the exit end. The lens 25 forms an image on the surface of the DMD 6. Between the illumination lens 25 and the DMD 6, a dichroic mirror 26A for reflecting excitation light or exposure light and transmitting fluorescence is installed.
[0040]
At the time of producing the biochip, the biochip is produced by switching to the light source C as in the first embodiment. At the time of biochip reading, the biochip 1 is read by the excitation light having a specific wavelength of the switched light source A as in the first embodiment.
With the above configuration, the biochip 1 is scanned by confocal fluorescence, and the fluorescence information of the biochip 1 can be read.
[0041]
The biochip reading using both the A optical system and the B optical system will be described based on a specific example. For example, when the A optical system performs reading using Cy3 as a fluorescent dye, and the B optical system performs reading using Cy5, light sources A and B for fluorescence excitation, dichroic mirrors 26A and 26B, and a bandpass filter 28A 28B is installed with a suitable fluorescence wavelength of 570 nm and 670 nm. Before measurement, a uniform Cy3 fluorescent plate is installed instead of a biochip, and a correction table for the A optical system is created. Similarly, a correction table for the Cy5 B optical system is created.
The biochip 1 is installed, first, the fluorescence information of Cy3 is read by the A optical system, and then the fluorescence information of Cy5 is read by switching to the B optical system.
[0042]
According to the present embodiment, mechanical switching of the light source and the filter is unnecessary, and fluorescence of two wavelengths can be sequentially measured only by turning on the light source and switching of the CCD to be used.
[0043]
Another embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, a biochip is produced, reacted, and read using the biochip analyzer of each of the above examples, and data necessary for producing the biochip is provided to the client and read from the client. The present invention provides a biochip analysis online system in which a biochip information center that performs biochip analysis requested by a client based on data is connected to a computer network.
[0044]
This system provides information consisting of a set of oligonucleotide sequence data, a set of sequence data of protein amino acids, and the primary structure of nucleotides, peptides, or sugar chains via a computer network, and collects reading results from clients. The analysis result is returned to the client again. The online system charges for providing information necessary for biochip production and for analysis based on the read data.
[0045]
In FIG. 6, the biochip analyzer of the present invention is installed on the client side. The Biochip Information Center is equipped with a system body that contains an analysis program and a database that stores various biochip production data and biochip analysis data. The computer system 3 of the biochip analyzer and the system main body of the biochip information center are connected by a computer network. There are multiple clients but only one is shown.
[0046]
The system main body incorporates a biochip production processing program and a biochip analysis processing program, and a biochip production database and analysis database are installed. The biochip production database contains a set of base sequences and amino acid sequences for gene-related analysis and protein analysis-related data required for biochip production, and a predetermined data structure for the spot layout on the biochip. Accumulated. The biochip analysis database stores classification information of known genes and proteins that are referred to when performing analysis.
[0047]
The processing flow of this system will be described with reference to FIG. After the preparation for biochip production is completed, the client connects the biochip analyzer to the biochip information center, communicates with the biochip production processing program through the network, and requests a list of biochips. A biochip according to the analysis item is selectively ordered, such as a biochip displayed in a list, such as a biochip for analyzing environmental hormone responsive genes. The biochip information center calculates a charge based on the biochip received from the client and the analysis item. Thereafter, the biochip production data including the set of base sequence data of each spot of the selected biochip and the array layout of the spots on the biochip is transmitted, and the charge is notified. Upon receiving the biochip production data, the biochip analyzer performs biochip production.
[0048]
The prepared biochip is manually or in response to a biochip completion trigger signal, the test sample is automatically introduced from the test sample introduction port, and a reaction such as hybridization is performed. The biochip reading is automatically started upon receiving a biochip reaction end trigger signal, and the read data is stored in the memory. The client requests the analysis by designating the biochip to the biochip information center. The biochip information center starts a processing program corresponding to biochip analysis in response to a request from the client, and transmits an analysis item list to the client. The analysis item list includes various processing and analysis items such as visualization processing, cluster analysis, structural hierarchy analysis, and polymorphism analysis. The client selects and orders a predetermined item from the displayed analysis item list, and transmits biochip reading data. The biochip information center receives an analysis item for a designated biochip, performs billing calculation, receives biochip reading data, performs processing and analysis based on the selected analysis item, and transmits the result. The client receives the analysis result and the billing information, displays the confirmation information, confirms the content, and stores it in the memory.
[0049]
This system does not limit the biochip analyzer of the present invention to a limited client. The biochip analyzer of the present invention, the biochip reader, or other existing biochip production or read-only machines compatible with the network can also be used. In addition, this system is connected to the network of the biochip analyzer of the present invention and used in various forms such as analysis from reading of biochips produced by other devices, or analysis from biochip read data prepared in advance. Can do. Furthermore, using this system, it is possible to read biochip read data recorded on a recording medium such as a CD or DVD and request analysis from the biochip information center.
[0050]
According to this system, immediately after communication with the biochip production support processing program on the client side, the biochip production processing, reaction, reading, A series of analyzes using the biochip for analysis is performed fully automatically. This fully automatic operation is performed without operator intervention during the series of analysis operations.
[0051]
Other embodiments of the invention
[0052]
The present invention is not limited to the biochip analyzer of the above embodiment, but can also be applied to an apparatus configured by any one or a combination of biochip production, reaction, and reading functions.
In addition to biochips, the present invention can be applied to the measurement of fluorescence intensity distribution when the conventional Southern blot and Northern blot methods are performed by labeling / detection with a fluorescent dye instead of labeling / detection with a radioisotope. The Southern blot and Northern blot methods described above are analysis methods using hybridization. Examples of the use include measurement of fluorescence intensity distribution of, for example, nylon, nitrocellulose film, and gel film. Further, it can be used not only for the measurement of fluorescence intensity distribution but also for the purpose of measuring the intensity distribution of chemiluminescence in experiments in which labeling is performed with a chemiluminescent substance that does not require excitation light. In this case, in order to correct the illumination light and the detection sensitivity, a sample that uniformly chemiluminescence is used instead of the uniform fluorescent plate used in this embodiment.
[0053]
Industrial applicability
[0054]
(1) Biochip analyzer
The spatial light modulation element can be realized by control from software without using a photomask conventionally used in photolithography.
Unlike the conventional method of uniform illumination using hardware such as a fly-eye lens for exposure light correction, the present invention corrects exposure light for each device, so that variations between devices can be eliminated. It is possible to flexibly cope with switching and replacement of light sources. Further, since the exposure light correction means can be combined with the spatial light modulation element that generates the exposure pattern, it contributes to downsizing and cost reduction of the apparatus.
The reading of the biochip can be realized by controlling the conventional confocal scanning function with software using a spatial light modulator. In addition, the illumination light intensity is adjusted for each spatial light modulation element to improve the in-plane distribution of the illumination light, and variations in illumination light and detection sensitivity due to position are corrected.
[0055]
(2) Biochip online analysis system
The biochip analyzer on the client side and the system body of the biochip information center are connected by a computer network. The biochip analyzer receives the set information of the biochip sequence data and the primary structure data ordered online from the biochip information center. The biochip analyzer performs the steps of biochip production, reaction, and reading based on the above set information, and the biochip reading data is collected by the biochip information center and is analyzed according to the analysis items specified by the client. Perform biochip analysis. The analysis data is transmitted to the client. As a result, the client can analyze the test sample on hand.
[Brief description of the drawings]
[0056]
FIG. 1 is a system configuration diagram of an optical system and a control system of a biochip analyzer using a DMD according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a system configuration diagram of an optical system and a control system of a biochip analyzer using a reflective liquid crystal panel according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a system configuration diagram of an optical system of a biochip analyzer capable of analyzing with two wavelengths according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a focal position when a DMD is illuminated with focused light.
FIG. 5 is a diagram showing a focal position when a DMD is illuminated with parallel light.
FIG. 6 is a conceptual diagram of an online analysis system and a flow chart from biochip production to analysis.

Claims (15)

単一の空間光変調素子と、
露光照明用平面状光源で構成された第1光学系を備え、前記露光照明用平面状光源で前記空間光変調素子を結像照明し、バイオチップに複数配置するヌクレオチド又はペプチド又は糖鎖のスポットの配列レイアウトと各スポット上のヌクレオチド又はペプチド又は糖鎖の1次構造とから定まる露光パターンにより前記空間光変調素子を制御してバイオチップ基板上のヌクレオチド又はペプチド又は糖鎖を配するスポット位置を選択的に露光し、複数種類の塩基又はアミノ酸又は糖を所定の位置に光活性化カップリング反応を起こし、ヌクレオチド又はペプチド又は糖鎖の合成伸長を行うバイオチップ作製手段と、
前記作製されたバイオチップと蛍光標識した被検試料とを反応させるバイオチップ反応手段と、
蛍光励起用平面状光源で構成される第2光学系および該第2光学系を通して蛍光撮像を行う撮像手段を備え、前記蛍光励起用平面状光源を前記空間光変調素子に結像照明し、前記バイオチップ反応手段により被検試料と反応させたバイオチップ上の微小域を選択的に照明して前記微小域から射出される蛍光だけを前記撮像手段で選択的に撮像する共焦点走査を行うバイオチップ読取手段と、
あらかじめ均一な蛍光板を被露光試料の換わりに仮設し、前記露光照明用平面状光源で空間光変調素子を結像照明したときの該空間光変調素子の各画素毎に対応する補正前の露光光の面内分布を測定する露光光分布測定手段と、
あらかじめ均一な蛍光板をバイオチップの換わりに仮設し、前記蛍光励起用平面状光源で空間光変調素子を結像照明したときの該空間光変調素子の各画素毎に対応する補正前の励起光強度の面内分布を測定する励起光分布測定手段と、
前記露光光分布測定手段により測定した、各画素に対応する補正前の露光光の強度の逆数をテーブル化して記憶し、露光時には前記テーブルを参照して、所定の露光パターンに従って各画素を制御する露光光補正手段と、
前記励起光分布測定手段により測定した各画素毎に対応する補正前の励起光の強度の逆数をテーブル化して記憶し、読取り時には前記テーブルを参照して、各画素を制御する照明光補正手段と、
前記各手段を制御する制御手段と、
を備えていることを特徴とするバイオチップ分析装置。
A single spatial light modulator;
A spot of nucleotides, peptides, or sugar chains that is provided with a first optical system composed of a planar light source for exposure illumination, illuminates the spatial light modulation element with the planar light source for exposure illumination, and is arranged on a biochip. The spatial position of the spot on the biochip substrate is determined by controlling the spatial light modulation element according to an exposure pattern determined from the sequence layout of the nucleotide and the primary structure of the nucleotide, peptide or sugar chain on each spot. A biochip production means for selectively exposing, causing a photo-activated coupling reaction at a predetermined position of a plurality of types of bases or amino acids or sugars, and performing synthetic elongation of nucleotides or peptides or sugar chains;
Biochip reaction means for reacting the prepared biochip with a fluorescently labeled test sample;
A second optical system composed of a planar light source for fluorescence excitation, and an imaging means for performing fluorescence imaging through the second optical system, image-illuminating the planar light source for fluorescence excitation on the spatial light modulator, Bio for performing confocal scanning in which a micro area on a bio chip reacted with a test sample by a bio chip reaction means is selectively illuminated and only the fluorescence emitted from the micro area is selectively imaged by the imaging means. Chip reading means;
Preliminary exposure light corresponding to each pixel of the spatial light modulation element when a uniform fluorescent plate is temporarily set in place of the sample to be exposed and the spatial light modulation element is imaged and illuminated by the planar light source for exposure illumination. Exposure light distribution measuring means for measuring the in-plane distribution of
Preliminary excitation light intensity corresponding to each pixel of the spatial light modulator when a uniform fluorescent plate is temporarily placed instead of a biochip and the spatial light modulator is imaged and illuminated by the planar light source for fluorescence excitation Excitation light distribution measuring means for measuring the in-plane distribution of
The reciprocal of the intensity of exposure light before correction corresponding to each pixel measured by the exposure light distribution measuring means is stored in a table, and each pixel is controlled according to a predetermined exposure pattern by referring to the table during exposure. Exposure light correction means;
Illumination light correction means for controlling each pixel by reading the table and storing the reciprocal of the intensity of the excitation light before correction corresponding to each pixel measured by the excitation light distribution measurement means. ,
Control means for controlling each means;
A biochip analyzer characterized by comprising:
単一の空間光変調素子と、
露光照明用平面状光源で構成された光学系を備え、該露光照明用平面状光源で前記空間光変調素子を結像照明し、バイオチップに複数配置するヌクレオチド又はペプチド又は糖鎖のスポットの配列レイアウトと各スポット上のヌクレオチド又はペプチド又は糖鎖の1次構造により前記空間光変調素子を制御してバイオチップ基板上のヌクレオチド又はペプチド又は糖鎖のスポット位置を選択的に露光し複数種類の塩基又はアミノ酸又は糖を所定の位置に光活性化カップリング反応を起こし、ヌクレオチド又はペプチド又は糖鎖の合成伸長を行うバイオチップ作製手段と、
あらかじめ均一な蛍光板を被露光試料の換わりに仮設し、前記露光照明用平面状光源で空間光変調素子を結像照明したときの該空間光変調素子の各画素毎に対応する補正前の露光光強度の面内分布を測定する露光光分布測定手段と、
前記露光光分布測定手段により測定した、各画素に対応する補正前の露光光の強度の逆数をテーブル化して記憶し、露光時には前記テーブルを参照して、所定の露光パターンに従って各画素を制御する露光光補正手段と、
を備えていることを特徴とするバイオチップ分析装置。
A single spatial light modulator;
An array of nucleotides, peptides, or sugar chain spots that are provided with an optical system composed of a planar light source for exposure illumination, image-illuminate the spatial light modulator with the planar light source for exposure illumination, and are arranged on a biochip. The spatial light modulator is controlled by the layout and the primary structure of nucleotides, peptides or sugar chains on each spot to selectively expose the spot positions of nucleotides, peptides or sugar chains on the biochip substrate, and a plurality of types of bases Alternatively, a biochip production means for causing a photo-activated coupling reaction at a predetermined position of an amino acid or a sugar and performing a synthetic elongation of a nucleotide, a peptide or a sugar chain,
Preliminary exposure light corresponding to each pixel of the spatial light modulation element when a uniform fluorescent plate is temporarily set in place of the sample to be exposed and the spatial light modulation element is imaged and illuminated by the planar light source for exposure illumination. Exposure light distribution measuring means for measuring the in-plane distribution of intensity;
The reciprocal of the intensity of exposure light before correction corresponding to each pixel measured by the exposure light distribution measuring means is stored in a table, and each pixel is controlled according to a predetermined exposure pattern by referring to the table during exposure. Exposure light correction means;
A biochip analyzer characterized by comprising:
請求項2において、平面状光源がファイバーオプティックプレートによって構成されていることを特徴とするバイオチップ分析装置。3. The biochip analyzer according to claim 2, wherein the planar light source is constituted by a fiber optic plate. 請求項2において、平面状光源がウレクサイトによって構成されていることを特徴とするバイオチップ分析装置。3. The biochip analyzer according to claim 2, wherein the planar light source is composed of urexite. 請求項2において、平面状光源が薄膜散乱体によって構成されていることを特徴とするバイオチップ分析装置。3. The biochip analyzer according to claim 2, wherein the planar light source is constituted by a thin film scatterer. 単一の空間光変調素子と、
蛍光励起用平面状光源で構成される光学系および該光学系を通して蛍光撮像を行う撮像手段を備え、前記蛍光励起用平面状光源を前記空間光変調素子に結像照明し、前記バイオチップ反応手段により被検試料と反応させたバイオチップ上の微小域を選択的に照明して前記微小域から射出される蛍光だけを前記撮像手段で選択的に撮像する共焦点走査を行うバイオチップ読取手段と、
あらかじめ均一な蛍光板をバイオチップの換わりに仮設し、前記蛍光励起用平面状光源で空間光変調素子を結像照明したときの該空間光変調素子の各画素毎に対応する補正前の励起光強度の面内分布を測定する励起光分布測定手段と、
前記励起光分布測定手段により測定した各画素毎に対応する補正前の励起光の強度の逆数をテーブル化して記憶し、読取り時には前記テーブルを参照して、各画素を制御する励起光補正手段と、
を備えていることを特徴とするバイオチップ分析装置。
A single spatial light modulator;
An optical system comprising a planar light source for fluorescence excitation, and an imaging means for performing fluorescence imaging through the optical system, and image-illuminating the planar light source for fluorescence excitation onto the spatial light modulator, and the biochip reaction means A biochip reading means for performing confocal scanning for selectively illuminating only a fluorescent region emitted from the microscopic area by selectively illuminating a microscopic area on the biochip reacted with the test sample by ,
Preliminary excitation light intensity corresponding to each pixel of the spatial light modulator when a uniform fluorescent plate is temporarily placed instead of a biochip and the spatial light modulator is imaged and illuminated by the planar light source for fluorescence excitation Excitation light distribution measuring means for measuring the in-plane distribution of
Excitation light correction means for controlling each pixel by reading and storing the reciprocal of the intensity of excitation light before correction corresponding to each pixel measured by the excitation light distribution measurement means, and referring to the table when reading ,
A biochip analyzer characterized by comprising:
請求項1、2、6のいずれかの記載において、空間光変調素子がDMDであることを特徴とするバイオチップ分析装置。The biochip analyzer according to any one of claims 1, 2, and 6, wherein the spatial light modulator is a DMD. 請求項1、2、6のいずれかの記載において、空間光変調素子が反射型液晶パネルであることを特徴とするバイオチップ分析装置。7. The biochip analyzer according to claim 1, wherein the spatial light modulator is a reflective liquid crystal panel. 請求項1又は2において、バイオチップを載置し、該バイオチップの温度管理下で作製、反応、読取りを行うフローセルと、前記バイオチップ上にヌクレオチド又はペプチド又は糖鎖を合成伸長させるための薬液を供給する手段と、を備えていることを特徴とする装置。3. The flow cell according to claim 1 or 2, wherein a biochip is placed and manufactured, reacted, and read under temperature control of the biochip, and a chemical solution for synthesizing and extending nucleotides, peptides, or sugar chains on the biochip. And means for supplying the device. 請求項1又は2において、露光光補正手段が露光パターンを空間光変調素子の各画素毎に必要な露光時間により制御することを特徴とするバイオチップ分析装置。3. The biochip analyzer according to claim 1, wherein the exposure light correction means controls the exposure pattern according to an exposure time required for each pixel of the spatial light modulator. 請求項1又は2において、露光光補正手段が露光パターンを空間光変調素子の各画素毎に露光光の強度により制御することを特徴とするバイオチップ分析装置。3. The biochip analyzer according to claim 1 or 2, wherein the exposure light correction means controls the exposure pattern for each pixel of the spatial light modulator by the intensity of the exposure light. 請求項1又は6において、励起光補正手段が空間光変調素子の各画素毎に励起時間により制御することを特徴とするバイオチップ分析装置。7. The biochip analyzer according to claim 1, wherein the excitation light correction means controls the excitation time for each pixel of the spatial light modulator. 請求項1又は6において、励起光補正手段が空間光変調素子の各画素毎に励起光の強度により制御することを特徴とするバイオチップ分析装置。7. The biochip analyzer according to claim 1, wherein the excitation light correcting means controls the intensity of the excitation light for each pixel of the spatial light modulator. 請求項7において、DMDは複数のマイクロミラーが同時に併進走査されることを特徴とするバイオチップ分析装置。8. The biochip analyzer according to claim 7, wherein the DMD has a plurality of micromirrors simultaneously translated. 請求項1において、蛍光波長の異なるバイオチップ読取り系を2組独立して配置したことを特徴とするバイオチップ分析装置。2. The biochip analyzer according to claim 1, wherein two sets of biochip reading systems having different fluorescence wavelengths are arranged independently.
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