JP3729043B2 - Fluorescence image detection method, DNA inspection method and apparatus - Google Patents

Fluorescence image detection method, DNA inspection method and apparatus Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は励起光を照射することにより微弱な蛍光を発する対象を高感度高速に蛍光検出する方法に関する。またこの蛍光検出方法を用いてDNA検査する方法及び装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来励起光を照射して得られる微弱蛍光を検出する方法として、1本のレーザビームを対象物に絞り込み得られる蛍光を励起光から分離し高感度検出素子で検出していた。また2次元的に検出するには照射励起光ビームを試料面に対し相対的に走査し、検出していた。この際検出の信号対雑音比を大きくするため、対象物と共役な関係にある位置に開口を設け共焦点検出していた。また2次元的に検出するために、スパイラル状に微小円開口が開いたいわゆるニッポウディスクを用いて、これに一様照射光を当て、円開口からの光を非対称物上に 結像し、反射光或いは蛍光をこの開口の透過光として検出することにより2次元的に共焦点画像或いは蛍光画像を検出する方法があった。
【0003】
またDNAチップあるいはDNAマイクロアレイを検査する方法として、上記の1スポットを用いて蛍光検出し、この蛍光検出結果からDNAを検査する方法があった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上記の何れの方法も微弱な蛍光を2次元的に検出しようとすると非常に長い時間を要する。1ビームレーザ光を対象物に絞り込む方法は1絵素ずつ時系列的に検出するため、蛍光が非常に微弱な場合1絵素分の検出に時間を要し、2次元画像全体を検出するにはかなりの時間を要する。微弱な蛍光を発する対象を高速に検出するため、1ビームレーザの励起光を強くしても、例えば6000×6000絵素を1分で検出しようとすると1絵素当たりの検出時間は1〜2μsec (マイクロ秒)となる。このような短い時間で検出しようとすると、蛍光検出強度を広いダイナミックレンジ(例えば216)で検出することが困難になる。また通常の蛍光は励起光を受光してから10-9〜10-5sec遅延して蛍光を発するので、1絵素当たりの蛍光検出時間が1から2μsecでは十分な蛍光検出ができない。他方ニッポウディスクを用いる方法は一様光中の微小開口の比率分しか光が有効に用いられないため、微弱蛍光を検出するのにかなりの時間を要する。
【0005】
本発明はこれら従来の課題を解決し、微弱な蛍光を2次元の大きな解像本数を必要とする検出対象物に対して、高速、高分解能にかつ高感度に検出する技術を提供する。またこの技術を用いて、高感度高速にDNAを検査する技術を提供する。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記の課題の解決方法として本発明は以下の手段を用いている。
【0007】
蛍光特性を有する対象物体に多数Mの微小なスポットからなるマルチスポット励起光を照射する。この励起光により得られる各マルチスポットからの蛍光を励起光から分離し、この対象物体から発する蛍光像をフォトンカウント可能な複数の微弱光検出素子で検出する。このようにすれば非常に微弱な蛍光でも検出できる。各検出素子から得られるフォトン信号をそれぞれ個別にフォトンカウントし、各検出素子で検出されたフォトンカウント数Npmを個別に記憶する。さらにマルチスポット光と対象物体との位置を相対的に駆動系等により変化させ、各検出器のフォトンカウント数を順次記憶して行く。このようにして対象物体上の所望の範囲に亘りフォトンカウント数データを記憶収集してゆけば、この収集データから蛍光画像を構成することができる。
【0008】
また上記マルチスポット光の代わりにシート状励起光を用いる。このシート状励起光を照射することにより得られる長細い形状を有する照射領域からの蛍光を励起光から分離し、該対象物体から発する蛍光像をフォトンカウント可能な複数の微弱光検出素子で検出する。各検出素子から得られるフォトン信号をそれぞれ個別にフォトンカウントし、各検出素子で検出されたフォトンカウント数Npmを個別に記憶する。シート状励起光による細長い形状を有する照射領域と該対象物体との位置を相対的に変化させ、各検出器のフォトンカウント数を順次記憶して行く。このようにして対象物体上の所望の範囲に亘りフォトンカウント数データを記憶収集してゆけば、この収集データから蛍光画像を構成することができる。
【0009】
マルチスポット又はシート状励起光を照射し同時にM絵素の蛍光を検出することにより従来の課題で示した上記1分で6000×6000画素を検出するには1絵素当たりM〜2Mμsecの時間をかけることが可能になる。例えばM=50ならこの時間は50〜100μsecとなり、上記の蛍光発生遅延の問題を解決できる。またダイナミックレンジを確保し、かつ高感度の検出が下記理由により可能になる。
【0010】
即ち、1絵素当たりの検出時間が1μsec程度であると高感度検出を行うに必要なフォトンカウントの計数時間に足る検出時間が短くなり、ダイナミックレンジの確保が困難になる。これは1フォトンを検出したときに発生するフォトンパルス信号のパルス幅が数十nsであるため、1μsecの時間内ではせいぜい数十パルスの信号しか検出できないためである。またこのような短い時間で蛍光強度をアナログ的に検出しようとしても、検出回路の周波数特性から十分なダイナミックレンジを確保して検出することは困難である。
【0011】
上記の対象物として蛍光分子を付加したDNA断片を対応するDNAに結合させたサンプルを用いて以下のようにして検査する。一例として検査対象がDNAチップの場合、先ず検査対象であるDNAから前処理により作成したDNA断片に所望の蛍光体を付加したターゲットを上記DNAチップにハイブリダイゼーションする。このハイブリダイゼーションされた被検査DNAチップに、多数Mの微小なスポットからなるマルチスポット励起光を照射することにより得られる各マルチスポットからの蛍光を励起光から分離する。分離したDNAチップから発する蛍光の像をフォトンカウント可能な複数の微弱光検出素子で検出する。各検出素子から得られるフォトン信号をそれぞれ個別にフォトンカウントし、各検出素子で検出されたフォトンカウント数Npmを個別に記憶する。さらに上記マルチスポット光と該DNAチップとの位置を相対的に変化させて上記各検出器のフォトンカウント数を順次記憶していく。このようにして上記DNAチップ上の所望の範囲に亘りフォトンカウント数データを記憶収集し、この収集データから蛍光画像を構成することによりDNAを検査する。
【0012】
上記マルチスポット光に代えてシート状ビームを用いても、上記蛍光検出でシート状ビームを用いる蛍光検出で説明したのと同様にターゲットDNAに付加した蛍光を検出することにより、DNA検査を行うことができる。
【0013】
上記対象物体に照射されるマルチスポット励起光又はシート状の励起光の最小絞り径となる位置にある物体面からの蛍光像の合焦点位置にマルチスポット像またはシート状の細長い領域像のみを通過せしめるマルチスポット開口または細長い開口を配置し、共焦点検出する。このようにすることにより、信号対雑音比の大きい共焦点画像が得られる。即ち、検出したいマルチスポット位置の蛍光、或いはシート状ビームの位置の蛍光を、それ以外の光路中に存在する蛍光物質等の背景にある蛍光雑音から影響を受けずに、低雑音で検出できる。蛍光検出を行うサンプルが2次元平面内にあるときにはマルチスポットとサンプルをこの平面内で相対位置変化させ共焦点検出を行えば、この平面外にある蛍光体による雑音の影響を殆ど受けずに信号対雑音比の大きな蛍光検出或いはDNA検査を行うことができる。
【0014】
上記マルチスポット光を用いる蛍光画像検出で、マルチスポットと対象物の相対位置変化を対象物体面内の2方向と対象物体面に垂直な方向の計3方向のうち少なくとも1方向に行う。特に上記の共焦点検出の場合、マルチスポットの最小絞り込み位置、或いはシートビームの最小絞り込み位置から対象物を光軸方向に相対位置変化させることにより、得られる蛍光像強度の変化から合焦点位置を求め、この位置での蛍光強度から表面に凹凸のある対象に対して、正しい蛍光強度情報と、表面凹凸情報、或いは蛍光を発している3次元的な位置情報を得ることが可能になる。
【0015】
上記従来の1スポット励起光の場合における問題点で示したように、高速に蛍光画像を検出するためマルチスポット光の数は多いほど有利である。Mは10以上にするとこの時間内で検出できる最大のフォトンカウント数は数百と大きくなり、高感度、広ダイナミックレンジを実現する上で有効である。DNA検査等では更に高速化を行うためスポットの複数化の効果は大きく。Mを50以上にすると更に良い。即ちMを50以上にすると例えば6000×6000絵素を1絵素当たり数十μsかけて検出し、全画素を1分以内で検出することが可能になる。
【0016】
上記マルチスポットは、複数の検出素子、とりわけ1ないし2次元の直線上に配列した検出素子で検出するため、また検出した複数の情報を対象物或いはDNAチップの位置情報に対応させ蛍光画像として出力するため1又は2次元の直線上に配列させる。
【0017】
上記マルチスポット励起光またはシート状励起光と対象物の相対位置変化を行い1絵素分の移動をおこなう周期をTdとする。このとき上記フォトンカウント信号の単独フォトン検出時のパルス幅Δt0で割った値、即ちTd/Δt0に1以下0.1以上の所望の係数αを掛けた値,即ちαTd/Δt0を求める。この値が上記フォトンカウント数Npmに達していることを判断基準にして、即ち、αTd/Δt0≧Npmの時上記マルチスポット励起光またはシート状励起光の強度を変化させる等の方法により、蛍光検出強度が小さくなるようにしてフォトンカウントができるようにして検出を行う。即ち1絵素を検出する時間をフォトンパルス時間幅で割った値のα倍以上のフォトンカウントは精度の点で不可能であるため、励起光を小さくしたり、或いは励起光照射時間を短くし実効的に励起光強度を小さくしたり、或いは検出蛍光を小さくするため検出素子のゲインを小さくし、実効的にフォトンカウント可能なフォトンカウント値にする。
【0018】
上記マルチスポット光またはシート状励起光を2波長以上の多色光にする。このようにすることにより蛍光検出の情報を多くし、蛍光検出機能、DNA検出機能を向上させる。
【0019】
また、上記フォトンパルス信号がハイレベルにある時間を1絵素分の検出時間Td以内の時間βTdに亘り加算計測する。この値をTh′とするとき、1以下の所定のγに対し、Th′≧γβTdの条件を満足するか否かを判定する。仮にこの式を満たすとき、上記検出素子の出力信号をアナログ的に積分する回路で積算した結果を用いる。このようにすることにより強い蛍光にたいしても検出できるようになる。即ち、フォトンカウントが不可能な強い蛍光を検出しても、アナログ的に積分することにより強い蛍光の検出が可能になる。しかも、アナログ検出の時間をTd以内にすれば、1絵素当たりの検出時間を変えずに全絵素に亘り検出できる。この結果、フォトンカウントを用いる微弱な蛍光からこの積分回路によるるアナログ積分検出を用いる強い検出強度までの広いダイナミックレンジに亘り高精度にかつ、高速に検出することが可能になる。また上記αが1に相当する検出法として、フォトンカウントとアナログ積分検出を同時に並行して行い、得られた両結果を比較判断して、何れかの検出結果を用いる。
【0020】
また、上記の励起光源としてレーザを用いる。このレーザの共振器内にマルチスポット発生ホログラム又はシートビーム発生ホログラムを配置し、レーザ共振器内の強力なレーザ光でマルチスポットを発生させる。通常レーザの共振器内の光エネルギーは出射するビームのエネルギーの10倍以上になっている。通常のレーザでは出射ウィンドウのミラーの反射率は約90%にし、残り約10%を出射光として取り出している。この出射ウィンドウの反射率を100%にし、光を共振器内に閉じこめ、この共振器内の光路にホログラムを配置することにより、ホログラムの回折効率約10%をマルチスポット光もしくはシート状ビームとして利用することができる。この結果従来のレーザ出射光路中にホログラムを配置する場合に比べ、10倍近い強度のマルチスポット光もしくはシート状ビームが得られ、高速高感度の蛍光検出、並びにDNA検査を行うことが可能になる。
【0021】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の実施形態図である。レーザ光源211,212,213……は635nmの波長を有する半導体レーザから出射した拡散光を丸い平行ビームにしたものである。各レーザ光源から出射したK個の光ビームはピッチPの間隔でマルチビームスプリッタ22に入射する。マルチビームスプリッタ22はピッチPでK個並び、入射した各ビームを2分し、ピッチP/2の2K個の平行に進むビームを形成する。これらのビームは図示された座標のyz軸に±45度の方向に長軸を有する楕円偏光又は直線偏光もしくは円偏光になっている。
【0022】
2K個のビームはピッチP/2で配列し、マルチレンズ231に入射する。マルチレンズ231はプリズム232に貼り付けられている。マルチレンズを透過したビームはプリズム232を通過し、プリズム233との境界にあるマルチピンホールに入射する。
【0023】
プリズム232及び233はそれぞれ厚さがわずかに異なる台形のガラスを底辺同士で接着しておりこの接着面が偏光ビームスプリット面になっている。この結果プリズム232を通過したビームはピッチP/4で4K個のピンホールを有するピンホールアレイ234の各ピンホールにビームを収束させる。ピンホールアレイはピンホール部以外に載る雑音となる迷光を除去し、DNAチップに雑音の少ないマルチスポットを照射する役割を持っている。
【0024】
上記のプリズム232を通過する際偏光ビームスプリット面を通過する光はP偏光(zに直交する直線偏光)、反射する光はS偏光(z方向の直線偏光)になっている。このためマルチスポットを通過した光の半分はP偏光、残りの半分はS偏光になっている。
【0025】
ピンホールアレイの直後には1/2波長板もしくは1/4波長板がある。1/2波長板は光学軸が上記のPおよびS偏光に対し22.5度傾いている。また1/4波長板の場合には45度傾いている。ピンホール通過後このような波長板を通過した上記PおよびS偏光は1/2波長板の場合にはz軸に±45度傾いた直線偏光に、1/4波長板の場合には右および左回りの円偏光になる。
【0026】
上記の波長板235を通過した光は前述の台形貼り合わせプリズム233(但し台形プリズムの厚さの差は前述の台形貼り合わせプリズム232の半分である)に入射する。このプリズムの台形の底辺である貼り合わせ面は偏光ビームスプリット面になっているため、上記のピンホールアレイおよび波長板を通過した4K個の光は更に2倍に増え、ピッチがP/8で8K個になる。このためあたかも8K個の点光源(2次点光源)がピンホールアレイ234の位置にあるようにプリズム233から光が出射してくる。
【0027】
このようにしてできた8K個の2次点光源からの光はレンズ24、ミラー25、光量調整器26、波長選択ビームスプリッタ30、高NA対物レンズ3を通過し、DNAチップ5の検出面51にその8K個の点光源像を結ぶ。なお光量調整器26は検出面51にある蛍光体の量の多少に応じて蛍光検出の励起光の光量を調整するためにある。即ち、蛍光体の濃度がDNAチップ或いは蛍光検出サンプル全体に亘り大きいときには駆動源260を駆動し、例えば10%のNDフィルタ262が励起光光路に挿入されるようにする。しかしこのような励起光全ビームの強度を代えることは検出のダイナミックレンジを狭めることにもなるので、個々の励起光マルチスポットの強度を、図示しない光変調器アレーで調整することも可能である。
【0028】
また例えば2Nのダイナミックレンジの検出が必要な場合、NDフィルタ261は100%(NDフィルタ無し)とし、262は100×2N/2%の透過率にしておき、全画面をNDフィルタを交換して2画面検出し、両画面を合成し2Nのダイナミックレンジの蛍光画像を検出することも可能である。このように2画面を検出すれば2倍の時間を要するが、マルチスポットを用いる本発明は従来の方法に比べ5倍以上の速度で検出することができる。
【0029】
DNAチップの検出面に照射された8K個の点光源像はプローブDNAにハイブリダイゼーションされた先端に蛍光体を持つターゲットDNAを照射し、励起する。
【0030】
図2はDNAチップ5のガラス51上のターゲットDNAがある領域50の詳細とマルチスポットの関係を表した図である。501はセルである。このセルはxy方向に一定ピッチで配列している。この各セルにはその配列の番地毎に所望のDNA断片がガラスに付着されており、プローブDNAとも呼ばれている。このプローブDNAは通常各セル内では同じ塩基配列からなるDNAであり、異なるセルでは通常異なるDNAがプローブされている。このように用意されたDNAチップに検査対象である生物の検体から収集し、精製、増幅した複数種のDNA断片の端に蛍光体を付着させたターゲットDNAサンプル液を流し、ハイブリダイゼーションを起こさせる。即ち各セルのプローブDNAの塩基配列に対応するターゲットDNAが結合、即ちハイブリダイズする。図2のDNAチップは以上のようにしてできている。
【0031】
セル501に対し励起光であるマルチスポット2001,2002,2003,……、20Mはセルピッチの整数倍のピッチで並んでいる。図2の場合この整数は2である。マルチスポットのビーム径はおよそΔ、マルチスポットのピッチはNΔで、図2の場合N=10で、1セル当たり5×5の絵素に分割して検出している。このような分割を行うのはセル内に異物等が付着すると、この異物で強い蛍光を発生し検出データに誤差が生じるため、強い蛍光検出強度以上の絵素は異物によるものと判断し、その部分を除いてセル内の平均蛍光強度を求めるためである。
【0032】
DNAチップを図2のAのごとくx方向に走査し、マルチスポットがセルの右端まで走査すると1絵素Δ分y方向に移動し、再びx方向に走査する。これを繰り返し、N絵素(図では10絵素)走査し終わると、MNΔ分y方向に移動し、上記動作を繰り返し、全セルを走査する。図3は上記の動作を表したものである。横軸に時間を取り、上のグラフは縦軸にyステージの移動量、下のグラフは縦軸にxステージの移動量を示したものである。xステージは時間tsで走査検出し、時間tt−tsで元の位置に戻る。往路のみで検出を行っている。ステージの精度が十分良好な場合には復路でも検出が可能である。
【0033】
同時に検出されるM絵素分の蛍光検出は図1に示すように励起光のマルチスポット照射で発生した蛍光を対物レンズ3で受け、対物レンズを透過光した蛍光は波長選択ビームスプリッタ30で、蛍光波長の670nm近傍の光を反射させる。ここで反射した蛍光は検出系に導かれる。即ち、ミラーもしくは波長分離スプリッタである32,34,35及び38と、結像レンズ33を通過し、マルチチャンネルフォトマル101及び102上の受光開口に結像する。各受光開口には励起光のマルチスポットの像とほぼ同程度の径であるピンホールが開いている遮光板が設けられており、このピンホールを通過する蛍光のみが検出され、共焦点検出が行われる。
【0034】
図4上のグラフは図3下のグラフの時間軸を拡大したものである。1回の走査に要する時間tsを更に細かく見ている。図4下のグラフは図4上のグラフと横軸の時間軸は等しく、縦軸はフォトマル等の微弱光検出器によるフォトンカウント時間のタイミングを示している。このグラフの意味は信号レベルが1の時間フォトンカウントを行っており、0の時はフォトンカウントを行わない。一区切りの1の間は1絵素分の信号検出になっている。0になり、次に1が始まると次の絵素を検出することになる。x方向の1走査の間にLx個の絵素があるため1絵素当たりの検出時間はts/Lx以下となる。1絵素毎に行うフォトンカウントの時間はDNAチップのセルの位置に対応している必要がある。従ってフォトンカウントの開始の時間はxステージの位置測定用測長器の信号に基づいて信号を作る。
【0035】
1絵素のフォトンカウント終了時刻をステージの位置測長器の情報に基づいて決定すると、ステージが一様に動かないとき、フォトンカウント時間が絵素毎にばらついてしまう。そのため、終了の時間は開始の時間から一定の時間後になるようにする必要がある。このため高周波(周波数νr)のパルス発生器のパルスを計数し、フォトンカウントスタートから計数し、一定のパルス数Nrになったらフォトンカウントを終了するようにする。即ちどの絵素についてもNr/νr秒の時間に亘りフォトンカウントを行う。図1の制御回路1は上記の動作を制御する系であり、12はPC(パーソナルコンピュータ)であり、ここで総ての動きのコントロールを行っている。13は上記のステージ4の制御、駆動信号を発生し、またステージ4の位置情報を測長器から取り込んでいる。
【0036】
以上のようにして64絵素同時に、かつステージの走査により次々にx方向の絵素の蛍光を検出していく。各絵素で得られフォトンカウント信号SPMは図5に示すようにして検出される。即ち、マルチチャンネルフォトマルの1個のフォトマルに着目すると、微弱な検出蛍光の場合、フォトマル信号は図5の上のグラフに示すように低い頻度でパルス時間幅が約30ns程度のフォトン検出パルス信号が得られる。この信号の立ち上がりから一定幅のパルス信号を発生させるか、或いはコンパレータ回路により図5上グラフに示すように一定信号レベルIT以上の場合に図5下グラフの信号SPCのように一定レベルの信号になるようにする。このようにして作られたパルス整形信号をカウンターで計数することにより検出時間ts/Lx−Δt=Nr/νr時間内の検出フォトン数を求めることができる。
【0037】
図6は検出蛍光強度が大きい場合の例である。フォトマル検出信号SPMとコンパレータ後の信号SPCを示している。フォトンパルスが高頻度で検出されるため一部分で2つ以上のパルスが重なって検出されている。このためコンパレート後の信号の幅が広いものが現れている。SPC は信号SPCの時刻Aと時刻Bの間の時間を拡大した図である。検出信号が前後に重なって検出されるとコンパレート後の信号はパルスの幅が広くなる。この結果コンパレート後のパルス数を単純に数えたのでは誤差が大きくなる。そこで図6の最下段のグラフに示すようにSPC をゲートにして、一定の高周波パルス信号を計数する。この計数信号SPWCを用いればSPC信号のパルスを計数するより正確にフォトン数を求めることが可能になる。更にSPWC信号の計数値を下に凸な1価関数F(SPWC)で補正することにより更に正確なフォトン計数を行うことが可能である。
【0038】
しかしDNA検査で要求される更に広いダイナミックレンジを実現するには、上記の方法では不十分である。即ちDNA検査では1絵素を検出する時間内で数フォトンパルスから10数万パルスまでのダイナミックレンジが要求されている。ところがフォトン検出パルスの幅は数十nsであるため、総てのダイナミックレンジをフォトンパルスカウントで行おうとすると、1絵素当たりに要する時間は数十ns×10数万=数msec必要になる。
【0039】
マルチスポット励起光の数が64としても、絵素数が6000×6000あると、30分近く検出にかかることになる。
【0040】
図7はこの問題を解決する実施例である。101のマルチチャンネルフォトマルの出力信号をアナログスイッチ1Aに入力する。PC10によりアナログスイッチの初期状態はB即ちフォトンカウント回路1Bに接続されている。このことは蛍光検出を絵素毎に行うとき、先ずフォトンカウントを行うことを意味する。図8はフォトンカウント信号の経時変化を表しており(a)及び(b)は蛍光が非常に小さく、フォトンカウント検出で蛍光強度を求める場合である。
【0041】
図8(a)はフォトマル検出したフォトンパルス信号をコンパレータで2値化したパルス信号SPCである。(b)は(a)のパルス信号のパルス数を計数した計数信号NSPCである。この計数信号NSPCが計数開始後α(ts/Lx)時間経った時点で決められた閾値N0を越えなければアナログスイッチはこのままの状態でフォトンカウントを継続し、1絵素分の蛍光検出時間ts/Lx−Δtの間フォトンカウントを行う。この判断を行う時点である計数開始後の時間α(ts/Lx)はαとして0.01から0.3程度で良い。即ちこの時間の間にフォトンカウントパルスが最大で10前後以上入って来る程度の時間以上であればよい。上記の最大でと言う意味はこの時間内でパルス信号が最超密に発生した場合 である。
【0042】
図8(c)〜(d)は蛍光が大きくなりフォトンカウントを行うと不都合を生じる場合である。即ち2個以上のフォトンカウントパルスが同時或いは一部重なってしまうような場合である。この場合コンパレータ後のパルス信号SPCは図8(c)の様に一部重なったパルスは幅広くなる。図8(d)は(c)のパルス信号の計数信号NSPCである。NSPCはα(ts/Lx)の時点で閾値N0を越えており、フォトンカウントによる蛍光検出に適さないことが分かる。この時点で図7のアナログスイッチをCに接続し、回路1Cによりアナログ的にフォトマル信号を積分する。このように各絵素毎にフォトンカウントで検出するかアナログ積分で検出するかを判断し、最適な方法をその都度選んで検出していく。
【0043】
なお図には示さないが、図8の(c)より更に蛍光が大きくなると(c)のパルスが連なってしまい、パルス計数値は数個又は0個になる。このときには図6の(d)のようにしてSPCを一定周波数の矩形の高周波パルスでカウントする信号Spwcの信号を用いれば、このパルスカウント信号NSPWCは図8(e)のようになる。このNSPWC信号を用いることにより、閾値N1よりこの値が大きいことを判断し、アナログスイッチをCに切り替えれば、更に強い蛍光検出の場合でも間違えずにアナログ検出が可能になる。
【0044】
アナログ検出に切り替えられれば、回路1Cにより切り替えられた時点をスタート時点として積分を開始する。図9(a)に示すように着目絵素検出開始時刻を起点(仮にこの時刻を時刻0とする)にして時刻α(ts/Lx)から積分を開始し、フォトンカウントの場合同様に時刻ts/Lx−Δtまで積分を行い、この時点で積分値を回路1CでAD変換する。AD変換されたディジタル情報1C01は回路100に送られる。蛍光強度が弱い場合にはフォトンカウントを継続し、時刻0から時刻ts/Lx−Δt間での間のフォトンカウント信号が計数され、このディジタル情報1B01も回路100に送られる。マルチチャンネルのフォトマル101の各チャンネルから上記のようにして回路100に並列的に転送されたフォトンカウントディジタル信号及びアナログ積分ディジタル信号の結果をパソコンPCである11に転送する。各チャンネルでの検出がフォトンカウントかアナログ積分かは前記のように時刻α(ts/Lx)の時点で分かっているので、PC11で検出に適した方を各くチャンネル毎に選択し採用する。即ち図7の1C01、1C02……にはこの選択信号も同時に送られている。
【0045】
なお上記の実施例ではフォトンカウントを選択するかアナログ積分を選択するかを時刻α(ts/Lx)で判断しているが、検出の初めから同時に両方式で並列に検出しておき、(ts/Lx)−Δt後に選択を行っても良い。
【0046】
アナログ積分検出を実行するときの、積分信号の変化を図9(a)に示す。アナログ積分検出をスタートする時刻α(ts/Lx)から時刻ts/Lx−Δtの間で蛍光検出光の強度の大きさに比例した傾きで積分値が大きくなり、時刻ts/Lx−Δtにおける積分値がサンプルホールドされ、AD変換される。こんのようなアナログ検出により2桁近いダイナミックレンジに亘る信号強度変化を捕らえることが可能になる。
【0047】
更に強い蛍光検出の範囲に亘り検出を可能にする方法を図9(b)を用いて説明する。時刻ts/Lx−Δtに至る前に積分値が飽和しているので、この時刻で検出することはできない。しかし、図6(d)で用いている高周波パルス信号
hcを用いて積分をスタートさせた時刻α(ts/Lx)から飽和する時刻tFまでの時間(tF−α(ts/Lx))を計数すれば飽和値IFが予め分かっているので、この検出強度Iが次式で求まる
I=IF・((1−α)ts/Lx−Δt)/(tF−α(ts/Lx))
このように積分開始から飽和時間までを計測することにより更に1桁近くダイナミックレンジを広げることが可能になる。
【0048】
このような飽和の時刻を計数するには図7に示すアナログ積分回路に以下の機能を追加すればよい。即ち、1Cの積分回路の積分信号を第1の入力とし、予め決めておいた飽和値に相当する信号レベルを第2の入力としてコンパレータ回路に入力することにより、その信号出力の結果の変化から計数終了とすることにより可能である。
【0049】
以上説明したようにマルチチャンネルフォトマル101及び102で検出される蛍光は64チャンネル並列に検出され100で並列に入力された信号を時系列的な信号に変換しPC11に転送する。図1のxステージを走査し、図2に示すようにy方向に並ぶ64絵素を同時に、かつx方向は順次検出していく。図1のxyステージ4にはそれぞれ図示されていない光学的な測長器が付いており、x及びyステージの移動量が測定される。DNAチップの蛍光検出絵素の寸法Δx及びΔyは例えばそれぞれ2μmであるとする。各絵素の測定の開始はxステージの測長器が2μm移動を計測する時点から始まる。
【0050】
本発明のマルチスポット蛍光検出或いはマルチスポットDNA検査の具体的な実施例を以下に説明する。x方向は走査の動作、y方向はxの1走査毎に1絵素分シフトする動作、更にxは10走査毎にy方向に大きくシフトし、これを繰り返すことにより、2次元的に検出或いは検査を行う。
【0051】
x方向の走査で計測開始のステージ位置測長信号を検出すると、先ずフォトンカウントの計数を開始する。x方向の検出絵素数Lxが6400、絵素ピッチが2μmとし、この2μmを走査する時間tsを60μsecとする。フォトマルが1フォトンを受光し、発生するパルスの幅は30nsec程度であるので1絵素をスポットが通過する時間60μsecのうち40μsecの間フォトンカウントを行う場合、数百〜千のフォトンをフォトンカウント法で計数することが可能になる。これ以上の強度の信号に対してはパルス信号が繋がってしまうためアナログ積分検出を行う。このアナログ検出のダイナミックレンジはおよそ百程度ある。従ってフォトンカウントとアナログ積分を上記の方法で切り替えて併用すればおよそ1万のダイナミックレンジが得られる。
【0052】
更に図9の(b)で説明したアナログ積分が飽和する時間から検出強度を求める方法を併用すると更に1桁ダイナミックレンジを拡げることが可能になる。この結果およそ2の16乗、即ち65536の広いダイナミックレンジに亘り、即ち40μsecで数フォトンの微弱な検出光から10万フォトンに達する強い検出光まで短時間で検出可能になる。
【0053】
以上説明した蛍光強度がフォトンカウントの領域、アナログ積分の領域、及びアナログ積分飽和時間検出領域と3つの領域からなる時、それぞれの境界はスムーズに繋がるようにするため、事前に境界領域に相当する強度の検出光を用いてキャリブレーションを行う。
【0054】
上記図7の実施例ではフォトンカウントとアナログ積分を時間分割して検出しているが、常時両方を行い、蛍光検出の強度に応じて採用する信号を選択することも可能である。
【0055】
上記の検出方式の切り替えは蛍光検出に限られたものではなく、一般に1絵素当たりの検出時間Tpが短く限られている場合に有効である。即ちTpとフォトン検出パルス時間幅Δtの比Nrが要求される検出のダイナミックレンジNdに比べ小さいとき、即ち
Tp/Δt=Nr<Nd
の時微弱なフォトンカウント領域からフォトンカウントでは計数不可能な強い光まで広い範囲で検出が可能になる。
【0056】
60μsec/1絵素のスピードでx方向に6000絵素分走査し、この際y方向に10絵素とばしで同時に64絵素検出しているため、360msecかけて1走査が終了した時点で384000絵素が上記の広いダイナミックレンジで検出されている。1走査が終了するとy方向にステージを1絵素即ち2μm動かし隣の絵素ラインを同様にして検出する。この動作を10回繰り返し、640×6000絵素の検出を行う。ステージの戻りに要する加減速の時間を加えても、4から5秒で上記の絵素数の検出が終わる。
【0057】
次にy方向に640絵素分2μm×640=1.28mmと大きく移動し、上記の動作を繰り返す。この大きな移動を10回繰り返せば6400×6000絵素が約40〜50秒で検出されることになる。即ち2μmの解像度で6000×6000絵素の像をダイナミックレンジが2の16乗で、最小検出強度が数フォトンの蛍光検出や微弱光検出が1分以内で実現する。
【0058】
上記の実施例では1絵素当たりに要求される検出時間が短い場合であるが、1桁以上大きく、かつ同じように2の16乗のダイナミックレンジが必要な場合には図9の(b)に示す飽和時間を検出する方法は必要でなくなる。またフォトマルのフォトン検出パルスの幅が更に短くできればフォトンカウントのみ、或いはフォトンカウントとアナログ積分検出の組み合わせで検出できる。
【0059】
DNA検査特にDNAチップを用いるDNA検査を集団検診等の多数のサンプルを扱う用途に適用しようとすると高感度、高分解能、広ダイナミックレンジでかつ高速の検査装置を実現することが重要になる。上記の実施例で説明したマルチスポットもしくはシート状ビームを用いて、同時に複数の絵素を蛍光検出し、励起光とサンプルの相対位置を走査により変化させ次々と蛍光検出していくことによりこれが可能になった。
【0060】
6000×6000の絵素を64(M=64)絵素同時に検出することにより、(300マイクロ秒/絵素)以下の時間で検出することで、即ち平均絵素検出時間が(300マイクロ秒/M)以下で検出することができるようになり、一サンプル当たり3分以下で検出が可能になった。従来上記の絵素数の蛍光像を検出するのに10分以上要していたので高速検査の需要に応えうる。更にフォトンカウントとアナログ積分を併用することにより50マイクロ秒/絵素の時間で検出可能になるり、1分以下で検出可能になる。
【0061】
更に、上記のマルチスポットを用いる蛍光検出でサンプル上のマルチスポット径を小さくすることにより、多数のMの直径が3μmより小さく0.3μmより大きい微小なスポットからなるマルチスポット励起光、又は絞り込み幅が3μmより小さく0.3μmより大きいシート状の励起光を照射する。これにより得られる各マルチスポットまたはシート状の照射位置からの蛍光を励起光から分離し、該サンプルから発する蛍光像を複数の微弱光検出素子で検出する。各検出素子から得られる信号を個別に記憶し、上記マルチスポット光またはシート状励起光とサンプルとの位置を相対的に変化させ、上記信号を順次記憶して行く、このようにすればサンプル上の所望の範囲に亘り信号が記憶収集でき、収集データから蛍光画像を構成することによりDNAを検査することが可能になる。このような方法を用いると、検出像の分解能が高くなる。この高い分解能を用いれば例えばサンプルとして所望のターゲットDNAに蛍光を付加しておき、細胞中の1本鎖DNAのうち対応するDNAにハイブリダイズさせることにより細胞中の目標とするDNAを蛍光像として検出することができ、細胞のDNA検査が可能になる。
【0062】
図10は本発明の蛍光検出の実施例図であり、特にDNA検査に有効な蛍光検出の実施例である。図2と同一番号は同一物を表す。図2で示された10絵素おきに照射するマルチスポット光に代え、シート状の励起光2000を用いている。励起光の照射で得られる蛍光は図1の光学系同様にして励起光から分離して1次元のフォトマルアレイ、或いは超高感度1次元センサで検出される。シート状のビームでの励起は例えば隣り合う1次元方向の50絵素に亘り同時に行われ、1次元の高感度センサで同時に検出される。y方向に長いシート状のビームに直交するx方向例えば500画素分にスキャンすることにより、50×500絵素分の蛍光像が得られる。次にy方向に50絵素分移動し、上記の1走査を行う。これを10回繰り返せば、最終的には500×500絵素の蛍光画像が得られる。本実施例では孤立した、或いは隔たって分離したスポット光を照射する前記の実施例に比べ若干背景ノイズが大きくなるが、2次元平面的に大きく照射する場合に比べ、ノイズが小さい蛍光検出を行うことが可能である。フォトマル又は超高感度1次元センサから得られる信号は微弱光であるのでフォトンカウント検出を行う。
【0063】
図11は蛍光検出、或いは蛍光検出を用いるDNA検査のマルチスポット励起光発生方法を示す実施例である。レーザ27はレーザ媒体が封入されたレーザチューブ271の両端はブリュースタ角の窓があり、ここから出たレーザ光は両端にある100%反射ミラー272及び273で折り返される。この共振器ミラーの間を往復するレーザ光は通常レーザの共振器内の光エネルギーから出射窓を脱げて共振器が外に取り出されるビームのエネルギーの10倍以上になっている。この共振機内にマルチスポット又はシートビーム発生ホログラム板270を挿入すると、ホログラム2701はマルチスポット、またはシート状ビームが発生するように予め作られているため、図に示すようにレンズ274を介してマルチスポット2702が再生される。なおホログラムに照射したレーザ光は約10%の回折効率でマルチスポット像を形成する。残りの光は0次光としてそのまま透過し、共振器内を往復する。このマルチスポットは図1で説明したマスク状の円開口アレー透過直後のマルチスポット光と全く同一のスポットであるため、レンズ24を用いて図1の構成により検査対象にマルチスポットを照射することが可能になる。この結果従来のレーザ出射光路中にホログラムを配置する場合に比べ、10倍近い強度のマルチスポット光もしくはシート状ビームが得られ、高速高感度の蛍光検出、並びにDNA検査を行うことが可能になる。
【0064】
上記の実施例では励起光として1つの波長の場合について説明したが、本発明は励起光として2波長、或いは3波長以上を励起光として用いる場合にも効果を発揮する。この場合には、従来複数波長で検出しようとすると非常に長い時間を要してしまうが、本発明のマルチスポット光を用いてフォトンカウント検出を行えば高感度、高速に検出することができる。
【0065】
【発明の効果】
以上説明したように本発明により、1絵素から数カウントのフォトンパルスが得られるような微弱な蛍光検出物体、とりわけDNA検査で用いられるDNAマイクロアレイを高速に高分解能、高感度で検出することが可能になった。またアナログ積分検出をも可能にし、非常に広いダイナミックレンジを有する検出が可能になった。即ち、例えば6000×6000絵素の蛍光画像を216のダイナミックレンジで1分の検出時間で検出することも可能になった。この結果DNAチップなどの検査対象を1分程度の検査時間で検出することが可能になり、広く行われている集団検診で採取される大量の検体サンプルを短時間でかつ正確に検査することが可能になる。
【0066】
また本発明はDNA検査にのみ適用されるわけではなく、蛍光検出顕微法に広く使われる。従来長い時間を要していた観察や、検査の時間を大幅に短縮する。即ち数フォトンしか検出されない微弱光まで短時間で検出できるようになった。また微弱光から強い検出光まで広い範囲に亘り短時間で高精度に検出できるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるDNAチップの検査装置の概略構成を示す斜視図である。
【図2】本発明によるDNAチップのセルと励起光の関係を表すセルの平面図である。
【図3】本発明によるDNAチップのxy方向の走査を説明する図である。
【図4】本発明によるDNAチップのx方向の走査とフォトン検出の関係を示す図である。
【図5】微弱光のフォトンカウント信号を示す図である。
【図6】強い検出光の場合のフォトンパルス信号を示す図である。
【図7】本発明による広いダイナミックレンジを検出する回路構成を示すブロック図である。
【図8】本発明による弱い検出光と強い検出光の判定方法を示す図である。
【図9】本発明による更に強い検出光を検出する方法を示す図である。
【図10】本発明によるシート状の励起光を用いた場合を示すDNAチップのセルの平面図である。
【図11】本発明によるマルチスポットをレーザ共振器内のホログラムで形成する例を示す光学系の一部の斜視図である。
【符号の説明】
1…制御回路 1A…アナログスイッチ 1B…フォトンカウント回路 211,212,213…レーザ光源 22…マルチビームスプリッタ 231…マルチレンズ 232…プリズム 3…対物レンズ 4…xyステージ 5…サンプル 33…レンズ 36,37…干渉フィルタ 101,102…マルチアノードフォトマル
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for detecting fluorescence with high sensitivity and high speed by irradiating excitation light. The present invention also relates to a method and apparatus for DNA testing using this fluorescence detection method.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a method for detecting weak fluorescence obtained by irradiating excitation light, fluorescence obtained by focusing one laser beam on an object is separated from excitation light and detected by a highly sensitive detection element. In order to detect two-dimensionally, the irradiation excitation light beam is scanned relative to the sample surface. At this time, in order to increase the signal-to-noise ratio of the detection, an aperture is provided at a position conjugate with the object to detect the confocal point. In addition, in order to detect two-dimensionally, a so-called nippo disk with a spiral minute circular opening is used. Uniform illumination light is applied to the disk, and the light from the circular opening is imaged on an asymmetric object and reflected. There has been a method of detecting a confocal image or a fluorescence image in a two-dimensional manner by detecting light or fluorescence as transmitted light through the opening.
[0003]
Further, as a method for inspecting a DNA chip or a DNA microarray, there is a method in which fluorescence is detected using the above-mentioned one spot and DNA is inspected from the fluorescence detection result.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In any of the above methods, it takes a very long time to detect weak fluorescence two-dimensionally. The method of narrowing down one-beam laser light to an object detects each picture element in time series. Therefore, when the fluorescence is very weak, it takes time to detect one picture element, and the whole two-dimensional image is detected. Takes a lot of time. Even if the excitation light of a 1-beam laser is increased, for example, when detecting 6000 × 6000 picture elements in 1 minute, the detection time per picture element is 1 to 2 μsec in order to detect a faint fluorescent object at high speed. (Microseconds). If detection is attempted in such a short time, the fluorescence detection intensity is set to a wide dynamic range (for example, 216) Becomes difficult to detect. Ordinary fluorescence is 10% after receiving excitation light.-9-10-FiveSince fluorescence is emitted with a delay of sec, sufficient fluorescence cannot be detected when the fluorescence detection time per pixel is 1 to 2 μsec. On the other hand, in the method using the Nippon disk, light is effectively used only for the ratio of the minute apertures in the uniform light, so that it takes a considerable time to detect the weak fluorescence.
[0005]
The present invention solves these conventional problems and provides a technique for detecting weak fluorescence at high speed, high resolution and high sensitivity with respect to a detection target that requires a large two-dimensional resolution. In addition, this technique is used to provide a technique for examining DNA with high sensitivity and high speed.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The present invention uses the following means as a solution to the above problems.
[0007]
A target object having fluorescence characteristics is irradiated with multi-spot excitation light composed of many M minute spots. The fluorescence from each multi-spot obtained by the excitation light is separated from the excitation light, and the fluorescence image emitted from the target object is detected by a plurality of weak light detection elements capable of photon counting. In this way, even very weak fluorescence can be detected. The photon signal obtained from each detection element is individually photon counted, and the photon count number Npm detected by each detection element is individually stored. Further, the positions of the multi-spot light and the target object are relatively changed by a drive system or the like, and the photon count number of each detector is sequentially stored. Thus, if photon count data is stored and collected over a desired range on the target object, a fluorescence image can be constructed from the collected data.
[0008]
Further, sheet-like excitation light is used instead of the multi-spot light. The fluorescence from the irradiation area having a long and narrow shape obtained by irradiating the sheet-like excitation light is separated from the excitation light, and the fluorescence image emitted from the target object is detected by a plurality of weak light detection elements capable of photon counting. . The photon signal obtained from each detection element is individually photon counted, and the photon count number Npm detected by each detection element is individually stored. The position of the irradiation object having an elongated shape by the sheet-like excitation light and the target object are relatively changed, and the photon count number of each detector is sequentially stored. Thus, if photon count data is stored and collected over a desired range on the target object, a fluorescence image can be constructed from the collected data.
[0009]
In order to detect 6000 × 6000 pixels in the above-mentioned 1 minute by irradiating multi-spot or sheet-like excitation light and simultaneously detecting fluorescence of M picture elements, it takes M to 2 M μsec per picture element. It becomes possible to apply. For example, if M = 50, this time is 50 to 100 μsec, and the above problem of fluorescence generation delay can be solved. In addition, a dynamic range can be secured and highly sensitive detection is possible for the following reasons.
[0010]
That is, if the detection time per picture element is about 1 μsec, the detection time sufficient for the counting time of the photon count necessary for performing high-sensitivity detection is shortened, and it becomes difficult to ensure the dynamic range. This is because the pulse width of the photon pulse signal generated when one photon is detected is several tens of ns, so that only a signal of several tens of pulses can be detected within a time of 1 μsec. Further, even if the fluorescence intensity is detected in an analog manner in such a short time, it is difficult to detect with a sufficient dynamic range secured from the frequency characteristics of the detection circuit.
[0011]
The sample is examined as follows using a sample obtained by binding a DNA fragment to which a fluorescent molecule is added as a target to the corresponding DNA. As an example, when the test target is a DNA chip, first, a target obtained by adding a desired phosphor to a DNA fragment prepared by pretreatment from the DNA to be tested is hybridized to the DNA chip. Fluorescence from each multi-spot obtained by irradiating this hybridized DNA chip to be inspected with multi-spot excitation light consisting of many M minute spots is separated from the excitation light. A fluorescence image emitted from the separated DNA chip is detected by a plurality of weak light detection elements capable of photon counting. The photon signal obtained from each detection element is individually photon counted, and the photon count number Npm detected by each detection element is individually stored. Further, the photon count numbers of the detectors are sequentially stored by relatively changing the positions of the multi-spot light and the DNA chip. Thus, photon count number data is stored and collected over a desired range on the DNA chip, and DNA is examined by constructing a fluorescence image from the collected data.
[0012]
Even if a sheet beam is used in place of the multi-spot light, a DNA test is performed by detecting the fluorescence added to the target DNA in the same manner as described in the fluorescence detection using the sheet beam in the fluorescence detection. Can do.
[0013]
Only the multi-spot image or sheet-like elongated region image passes through the focal point of the fluorescent image from the object surface at the position where the minimum aperture diameter of the multi-spot excitation light or sheet-like excitation light irradiated on the target object is passed. A multi-spot opening or a long and narrow opening is arranged for confocal detection. By doing so, a confocal image having a large signal-to-noise ratio can be obtained. That is, the fluorescence at the multi-spot position to be detected or the fluorescence at the position of the sheet-like beam can be detected with low noise without being affected by the fluorescence noise in the background of the fluorescent material or the like existing in the other optical path. When the sample for fluorescence detection is in the two-dimensional plane, if the multi-spot and the sample are moved relative to each other in this plane and confocal detection is performed, the signal is hardly affected by noise from the phosphor outside the plane. Fluorescence detection or DNA inspection with a large noise-to-noise ratio can be performed.
[0014]
In the fluorescence image detection using the multi-spot light, a relative position change between the multi-spot and the target is performed in at least one of a total of three directions including two directions in the target object plane and a direction perpendicular to the target object plane. In particular, in the case of the above confocal detection, by changing the relative position of the object in the optical axis direction from the minimum aperture position of the multi-spot or the minimum aperture position of the sheet beam, the in-focus position is determined from the change in the fluorescence image intensity obtained. Thus, it is possible to obtain correct fluorescence intensity information, surface unevenness information, or three-dimensional position information that emits fluorescence for an object having an uneven surface from the fluorescence intensity at this position.
[0015]
As indicated by the problems in the case of the conventional one-spot excitation light, it is advantageous that the number of multi-spot lights is large in order to detect a fluorescent image at high speed. When M is 10 or more, the maximum number of photon counts that can be detected within this time is as large as several hundreds, which is effective in realizing high sensitivity and a wide dynamic range. In DNA testing and the like, the effect of using multiple spots is significant because the speed is further increased. More preferably, M is 50 or more. That is, when M is set to 50 or more, for example, 6000 × 6000 picture elements are detected over several tens of μs per picture element, and all pixels can be detected within one minute.
[0016]
The multi-spot is detected by a plurality of detection elements, particularly detection elements arranged on a one- or two-dimensional line, and the detected plurality of information is output as a fluorescence image corresponding to the position information of the object or DNA chip. Therefore, they are arranged on a one- or two-dimensional straight line.
[0017]
Let Td be a period in which the relative positions of the multi-spot excitation light or sheet-like excitation light and the object are changed to move one picture element. At this time, a value obtained by dividing the photon count signal by the pulse width Δt0 when single photons are detected, that is, a value obtained by multiplying Td / Δt0 by a desired coefficient α of 1 or more and 0.1 or more, that is, αTd / Δt0 is obtained. Based on the determination that this value reaches the photon count number Npm, that is, when αTd / Δt0 ≧ Npm, the intensity of the multi-spot excitation light or sheet excitation light is changed. Detection is performed so that the photon count can be performed with a reduced intensity. In other words, photon counting more than α times the value obtained by dividing the time to detect one picture element by the photon pulse time width is impossible in terms of accuracy, so the excitation light can be reduced or the excitation light irradiation time can be shortened. In order to effectively reduce the excitation light intensity or reduce the detection fluorescence, the gain of the detection element is reduced to obtain a photon count value that allows effective photon counting.
[0018]
The multi-spot light or sheet-like excitation light is converted into multicolor light having two or more wavelengths. By doing so, information of fluorescence detection is increased, and the fluorescence detection function and the DNA detection function are improved.
[0019]
Further, the time during which the photon pulse signal is at the high level is added and measured over a time βTd within the detection time Td for one picture element. When this value is Th ′, it is determined whether or not the condition of Th ′ ≧ γβTd is satisfied for a predetermined γ of 1 or less. If this equation is satisfied, the result obtained by integrating the output signal of the detection element with a circuit that integrates in an analog manner is used. In this way, even strong fluorescence can be detected. In other words, even if strong fluorescence that cannot be counted by photons is detected, strong fluorescence can be detected by analog integration. Moreover, if the analog detection time is set within Td, detection can be performed over all picture elements without changing the detection time per picture element. As a result, high-accuracy and high-speed detection can be achieved over a wide dynamic range from weak fluorescence using photon count to strong detection intensity using analog integration detection by this integration circuit. As a detection method in which α is equal to 1, photon counting and analog integration detection are simultaneously performed in parallel, and the obtained results are compared and determined, and either detection result is used.
[0020]
A laser is used as the excitation light source. A multi-spot generation hologram or a sheet beam generation hologram is arranged in the resonator of the laser, and a multi-spot is generated by a powerful laser beam in the laser resonator. Usually, the light energy in the resonator of the laser is 10 times or more of the energy of the emitted beam. In a normal laser, the reflectivity of the mirror of the exit window is about 90%, and the remaining 10% is taken out as the exit light. By making the reflectivity of this exit window 100%, confining the light in the resonator, and placing the hologram in the optical path in this resonator, the hologram diffraction efficiency of about 10% can be used as a multi-spot light or sheet beam can do. As a result, multi-spot light or sheet-like beam with intensity about 10 times that of the conventional arrangement of the hologram in the laser beam path can be obtained, enabling high-speed and high-sensitivity fluorescence detection and DNA inspection. Become.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is an embodiment of the present invention. Laser light sources 211, 212, 213,... Are formed by diffusing light emitted from a semiconductor laser having a wavelength of 635 nm into a round parallel beam. K light beams emitted from the laser light sources are incident on the multi-beam splitter 22 at intervals of a pitch P. The multi-beam splitter 22 arranges K beams with a pitch P, divides each incident beam into two, and forms 2K parallel beams with a pitch P / 2. These beams are elliptically polarized light, linearly polarized light, or circularly polarized light having a major axis in the direction of ± 45 degrees with respect to the yz axis of the illustrated coordinates.
[0022]
The 2K beams are arranged at a pitch P / 2 and enter the multi lens 231. The multi lens 231 is attached to the prism 232. The beam that has passed through the multi-lens passes through the prism 232 and enters the multi-pinhole at the boundary with the prism 233.
[0023]
In the prisms 232 and 233, trapezoidal glasses having slightly different thicknesses are bonded to each other at the bottoms, and the bonded surfaces are polarization beam split surfaces. As a result, the beam that has passed through the prism 232 is converged to each pinhole of the pinhole array 234 having 4K pinholes at a pitch P / 4. The pinhole array has the role of removing stray light that becomes noise other than the pinhole portion and irradiating the DNA chip with a multi-spot with less noise.
[0024]
When passing through the prism 232, light passing through the polarization beam split plane is P-polarized light (linearly polarized light orthogonal to z), and reflected light is S-polarized light (linearly polarized light in the z direction). For this reason, half of the light passing through the multi-spot is P-polarized light and the other half is S-polarized light.
[0025]
Immediately after the pinhole array is a half-wave plate or a quarter-wave plate. The half-wave plate is inclined 22.5 degrees with respect to the P and S polarized light. In the case of a quarter wave plate, it is inclined 45 degrees. The P- and S-polarized light that has passed through such a wave plate after passing through the pinhole is linearly polarized at ± 45 degrees with respect to the z axis in the case of a half-wave plate, and right and right in the case of a quarter-wave plate. It becomes counterclockwise circularly polarized light.
[0026]
The light that has passed through the wave plate 235 is incident on the trapezoidal bonding prism 233 described above (however, the thickness difference of the trapezoidal prism is half that of the trapezoidal bonding prism 232 described above). Since the bonding surface, which is the base of the trapezoid of this prism, is a polarization beam splitting surface, the 4K light beams that have passed through the pinhole array and wave plate are further doubled, and the pitch is P / 8. 8K. For this reason, light is emitted from the prism 233 as if 8K point light sources (secondary point light sources) are located at the pinhole array 234.
[0027]
The light from the 8K secondary point light sources thus produced passes through the lens 24, mirror 25, light amount adjuster 26, wavelength selection beam splitter 30, and high NA objective lens 3, and the detection surface 51 of the DNA chip 5. The 8K point light source images are connected to each other. The light amount adjuster 26 is for adjusting the amount of excitation light for fluorescence detection according to the amount of the phosphor on the detection surface 51. That is, when the concentration of the phosphor is large over the entire DNA chip or the fluorescence detection sample, the driving source 260 is driven so that, for example, 10% of the ND filter 262 is inserted into the excitation light path. However, changing the intensity of all the excitation light beams also narrows the dynamic range of detection, so the intensity of each excitation light multi-spot can be adjusted by an optical modulator array (not shown). .
[0028]
For example, 2NND filter 261 is 100% (no ND filter), and 262 is 100 × 2N / 2% Transmission, replace the ND filter on the entire screen, detect 2 screens, and combine both screens to 2NIt is also possible to detect a fluorescent image of the dynamic range. If two screens are detected in this way, twice the time is required, but the present invention using a multi-spot can be detected at a speed five times or more that of the conventional method.
[0029]
The 8K point light source images irradiated on the detection surface of the DNA chip are excited by irradiating target DNA having a fluorescent substance at the tip hybridized with the probe DNA.
[0030]
FIG. 2 shows the relationship between the details of the region 50 where the target DNA is present on the glass 51 of the DNA chip 5 and the multi-spot. Reference numeral 501 denotes a cell. The cells are arranged at a constant pitch in the xy direction. In each cell, a desired DNA fragment is attached to the glass for each address of the sequence, which is also called probe DNA. This probe DNA is usually DNA having the same base sequence in each cell, and different DNA is usually probed in different cells. The target DNA sample solution in which the phosphors are attached to the ends of multiple kinds of DNA fragments collected, purified, and amplified from the specimen of the organism to be tested is flowed to the prepared DNA chip in this manner to cause hybridization. . That is, the target DNA corresponding to the base sequence of the probe DNA of each cell binds, that is, hybridizes. The DNA chip in FIG. 2 is made as described above.
[0031]
Multi-spots 2001, 2002, 2003,..., 20M, which are excitation lights, are arranged at a pitch that is an integral multiple of the cell pitch. In the case of FIG. 2, this integer is 2. The beam diameter of the multi-spot is approximately Δ, and the pitch of the multi-spot is NΔ. In the case of FIG. 2, N = 10, and detection is performed by dividing into 5 × 5 picture elements per cell. The reason for this division is that if a foreign substance or the like adheres to the cell, strong fluorescence is generated by this foreign substance and an error occurs in the detection data. This is to obtain the average fluorescence intensity in the cell excluding the portion.
[0032]
When the DNA chip is scanned in the x direction as shown in FIG. 2A and the multi-spot is scanned to the right end of the cell, it moves in the y direction by one pixel Δ, and then scans in the x direction again. When this is repeated and scanning of N picture elements (10 picture elements in the figure) is completed, the movement is performed in the y direction by MNΔ, and the above operation is repeated to scan all cells. FIG. 3 shows the above operation. Time is taken on the horizontal axis, the upper graph shows the amount of movement of the y stage on the vertical axis, and the lower graph shows the amount of movement of the x stage on the vertical axis. x stage is time tsAt time tt-TsTo return to the original position. Detection is performed only on the outbound path. If the stage accuracy is sufficiently good, detection is possible even on the return path.
[0033]
As shown in FIG. 1, the fluorescence detected by the multi-spot irradiation of the excitation light is received by the objective lens 3 and the fluorescence transmitted through the objective lens is received by the wavelength selection beam splitter 30. Light in the vicinity of 670 nm of the fluorescence wavelength is reflected. The fluorescence reflected here is guided to the detection system. That is, the light passes through the mirrors or wavelength separation splitters 32, 34, 35 and 38 and the imaging lens 33, and forms an image on the light receiving apertures on the multichannel photomultipliers 101 and 102. Each light-receiving aperture is provided with a light shielding plate with a pinhole that is approximately the same diameter as the multi-spot image of the excitation light. Only the fluorescence that passes through this pinhole is detected, and confocal detection is performed. Done.
[0034]
The upper graph of FIG. 4 is an enlarged view of the time axis of the lower graph of FIG. The time ts required for one scan is seen in more detail. The lower graph in FIG. 4 has the same time axis as the upper graph in FIG. 4, and the vertical axis shows the timing of the photon count time by a weak light detector such as Photomal. The meaning of this graph is that photon counting is performed when the signal level is 1, and when it is 0, photon counting is not performed. A signal corresponding to one picture element is detected during one break. When 0 is reached and 1 starts next, the next picture element is detected. L during one scan in the x directionxSince there are individual picture elements, the detection time per picture element is ts/ LxIt becomes as follows. The time for photon counting performed for each picture element needs to correspond to the cell position of the DNA chip. Therefore, the photon count start time is generated based on the signal of the length measuring instrument for measuring the position of the x stage.
[0035]
If the photon count end time of one picture element is determined based on the information of the position measuring device of the stage, when the stage does not move uniformly, the photon count time varies for each picture element. Therefore, it is necessary that the end time be a certain time after the start time. For this reason, the pulses of the high-frequency (frequency νr) pulse generator are counted, counted from the start of photon counting, and the photon counting is terminated when the number of pulses reaches a certain number Nr. That is, photon counting is performed for every picture element over a time of Nr / νr seconds. A control circuit 1 in FIG. 1 is a system for controlling the above operation, and 12 is a PC (personal computer), which controls all movements. A stage 13 generates control and drive signals for the stage 4 and takes in positional information of the stage 4 from the length measuring device.
[0036]
As described above, the fluorescence of the picture elements in the x direction is detected one after another by scanning the stage simultaneously with 64 picture elements. Photon count signal S obtained for each picture elementPMIs detected as shown in FIG. In other words, focusing on one photomultiplier of the multichannel photomultiplier, in the case of weak detection fluorescence, the photomultiplier signal is detected with a low frequency as shown in the upper graph of FIG. A pulse signal is obtained. A pulse signal having a constant width is generated from the rising edge of this signal, or a constant signal level I as shown in the upper graph of FIG.TIn the above case, the signal S in the lower graph of FIG.PCAs shown in FIG. The number of detected photons within the detection time ts / Lx−Δt = Nr / νr can be obtained by counting the pulse shaping signals thus produced with a counter.
[0037]
FIG. 6 shows an example when the detected fluorescence intensity is high. Photomal detection signal SPMAnd signal S after the comparatorPCIs shown. Since photon pulses are detected with high frequency, two or more pulses are partially overlapped and detected. For this reason, a signal having a wide width after comparison has appeared. SPC Is the signal SPCIt is the figure which expanded the time between time A and time B. When the detection signals are detected in a superimposed manner, the signal after the comparison has a wider pulse width. As a result, if the number of pulses after comparison is simply counted, the error becomes large. Therefore, as shown in the bottom graph of FIG.PC And a constant high-frequency pulse signal is counted. This counting signal SPWCIf you use SPCThe number of photons can be obtained more accurately than counting the number of pulses of the signal. SPWCA monovalent function F (SPWC), It is possible to perform more accurate photon counting.
[0038]
However, the above method is insufficient to realize a wider dynamic range required for DNA testing. That is, in the DNA test, a dynamic range from several photon pulses to hundreds of thousands of pulses is required within the time for detecting one picture element. However, since the width of the photon detection pulse is several tens of ns, the time required for one picture element needs to be several tens of ns × 100,000 = several milliseconds when the entire dynamic range is performed by the photon pulse count.
[0039]
Even if the number of multi-spot excitation light is 64, if the number of picture elements is 6000 × 6000, detection takes almost 30 minutes.
[0040]
FIG. 7 shows an embodiment for solving this problem. An output signal of 101 multichannel photomultiplier is input to the analog switch 1A. The initial state of the analog switch is connected to B, that is, the photon count circuit 1B by the PC 10. This means that photon counting is first performed when fluorescence detection is performed for each picture element. FIG. 8 shows the change with time of the photon count signal. (A) and (b) are cases where the fluorescence is very small and the fluorescence intensity is obtained by photon count detection.
[0041]
FIG. 8A shows a pulse signal S obtained by binarizing a photon pulse signal detected by photomultiplier with a comparator.PCIt is. (B) is a counting signal NS obtained by counting the number of pulses of the pulse signal of (a).PCIt is. This counting signal NSPCAfter the start of counting α (ts/ Lx) Threshold N determined at the end of time0If it does not exceed, the analog switch keeps the photon count in this state, and the fluorescence detection time t for one picture elements/ LxThe photon count is performed during −Δt. Time α (t after the start of counting, which is the time when this determination is mades/ Lx) May be about 0.01 to 0.3 as α. That is, it is sufficient if the photon count pulse is about 10 times or more during this time. The above-mentioned maximum means that the pulse signal is generated with the highest density within this time.
[0042]
FIGS. 8C to 8D show a case where the fluorescence becomes large and inconvenience occurs when the photon count is performed. That is, two or more photon count pulses are simultaneously or partially overlapped. In this case, the pulse signal S after the comparatorPCAs shown in FIG. 8C, the partially overlapped pulse becomes wider. FIG. 8D shows the count signal NS of the pulse signal of FIG.PCIt is. NSPCIs α (ts/ Lx) At the threshold N0It can be seen that it is not suitable for fluorescence detection by photon counting. At this time, the analog switch of FIG. 7 is connected to C, and the photomultiplier signal is integrated in an analog manner by the circuit 1C. In this way, it is determined whether each pixel is detected by photon count or analog integration, and an optimum method is selected and detected each time.
[0043]
Although not shown in the figure, when the fluorescence becomes larger than that in FIG. 8C, the pulses in FIG. 8C are continued, and the pulse count value becomes several or zero. At this time, as shown in FIG.PCIf the signal Spwc is used to count the signals with rectangular high-frequency pulses having a constant frequency, the pulse count signal NSPWCIs as shown in FIG. This NSPWCIf it is determined that this value is larger than the threshold value N1 by using a signal and the analog switch is switched to C, analog detection can be performed without mistake even in the case of stronger fluorescence detection.
[0044]
If switched to analog detection, integration is started with the time point switched by the circuit 1C as the start time point. As shown in FIG. 9 (a), the time α (ts/ Lx), And integration is started from time t as in the case of photon counting.s/ LxIntegration is performed up to -Δt, and at this point, the integrated value is AD converted by the circuit 1C. The AD-converted digital information 1C01 is sent to the circuit 100. When the fluorescence intensity is weak, the photon count is continued, and from time 0 to time ts/ LxThe photon count signal between −Δt is counted, and this digital information 1B01 is also sent to the circuit 100. The result of the photon count digital signal and the analog integrated digital signal transferred in parallel to the circuit 100 from each channel of the multi-channel photomultiplier 101 as described above is transferred to the personal computer PC 11. Whether the detection in each channel is photon count or analog integration is as described above at time α (ts/ Lx), It is known at the point of time, and the one suitable for detection by the PC 11 is selected and adopted for each channel. That is, this selection signal is also sent to 1C01, 1C02... In FIG.
[0045]
In the above embodiment, whether to select the photon count or the analog integration determines whether the time α (ts/ Lx), But both are detected in parallel at the same time from the beginning of detection, and (ts/ Lx) The selection may be made after −Δt.
[0046]
FIG. 9A shows a change in the integration signal when the analog integration detection is executed. Time at which analog integration detection is started α (ts/ Lx) To time ts/ LxThe integrated value increases with a slope proportional to the intensity of the fluorescence detection light between −Δt and time ts/ LxThe integrated value at −Δt is sampled and held and AD converted. Such analog detection makes it possible to capture changes in signal intensity over a dynamic range of nearly two digits.
[0047]
A method for enabling detection over a range of more intense fluorescence detection will be described with reference to FIG. Time ts/ LxSince the integrated value is saturated before reaching -Δt, it cannot be detected at this time. However, the high-frequency pulse signal used in FIG.
ShcThe time α (ts/ Lx) Saturated time tFTime until (tF-Α (ts/ Lx)) To count, saturation value IFSince this is known in advance, the detection intensity I can be obtained by the following equation.
I = IF・ ((1-α) ts/ Lx-Δt) / (tF-Α (ts/ Lx))
By measuring from the start of integration to the saturation time in this way, the dynamic range can be further expanded by nearly one digit.
[0048]
To count such saturation time, the following function may be added to the analog integration circuit shown in FIG. That is, the integration signal of the 1C integration circuit is used as a first input, and a signal level corresponding to a predetermined saturation value is input as a second input to the comparator circuit, so that the change in the signal output result can be detected. This is possible by setting the count to end.
[0049]
As described above, the fluorescence detected by the multi-channel photomultipliers 101 and 102 is detected in parallel in 64 channels, and the signal input in parallel in 100 is converted into a time-series signal and transferred to the PC 11. The x stage in FIG. 1 is scanned, and as shown in FIG. 2, 64 picture elements arranged in the y direction are detected simultaneously and sequentially in the x direction. The xy stage 4 in FIG. 1 is provided with an optical length measuring device (not shown), and the amount of movement of the x and y stages is measured. It is assumed that the dimensions Δx and Δy of the fluorescence detection picture element of the DNA chip are each 2 μm, for example. The start of measurement of each picture element starts from the time when the length measuring device of the x stage measures 2 μm movement.
[0050]
Specific examples of the multi-spot fluorescence detection or multi-spot DNA test of the present invention will be described below. The x direction is a scanning operation, the y direction is a shift by one picture element for each scan of x, and the x is greatly shifted in the y direction every 10 scans. Perform an inspection.
[0051]
When a stage position length measurement signal that starts measurement is detected by scanning in the x direction, first, counting of photons is started. Number of detected picture elements L in the x directionxIs 6400, the pixel pitch is 2 μm, and the scanning time t of 2 μm is tsIs 60 μsec. Photomal receives 1 photon and the width of the generated pulse is about 30nsec. Therefore, when photon counting is performed for 40μsec out of 60μsec when the spot passes through one picture element, hundreds to thousands of photons are counted. It becomes possible to count by the method. Since a pulse signal is connected to a signal having a higher intensity, analog integration detection is performed. The dynamic range of this analog detection is about 100. Therefore, if the photon count and the analog integration are switched and used in the above manner, a dynamic range of about 10,000 can be obtained.
[0052]
Furthermore, if the method for obtaining the detection intensity from the time when the analog integration described with reference to FIG. 9B is saturated is used in combination, the dynamic range can be further expanded by one digit. As a result, over a wide dynamic range of approximately 2 16, that is, 65536, that is, from weak detection light of several photons to strong detection light reaching 100,000 photons can be detected in a short time in 40 μsec.
[0053]
When the fluorescence intensity described above is composed of three regions, the photon count region, the analog integration region, and the analog integration saturation time detection region, each boundary corresponds to the boundary region in advance so that the boundaries are smoothly connected. Calibration is performed using intensity detection light.
[0054]
In the embodiment of FIG. 7, the photon count and the analog integration are detected by time division, but it is also possible to always perform both and select a signal to be used according to the intensity of fluorescence detection.
[0055]
The switching of the detection method is not limited to fluorescence detection, and is generally effective when the detection time Tp per pixel is short and limited. That is, when the ratio Nr of Tp and photon detection pulse time width Δt is smaller than the required detection dynamic range Nd,
Tp / Δt = Nr <Nd
In this case, it is possible to detect a wide range from a weak photon count region to a strong light that cannot be counted by photon count.
[0056]
Since 6000 picture elements are scanned in the x direction at a speed of 60 μsec / 1 picture element and 64 picture elements are detected at the same time by skipping 10 picture elements in the y direction, 384,000 pictures are obtained when one scan is completed over 360 msec. Element is detected in the above-mentioned wide dynamic range. When one scan is completed, the stage is moved by one pixel, that is, 2 μm in the y direction, and the adjacent pixel line is detected in the same manner. This operation is repeated 10 times to detect 640 × 6000 picture elements. Even if the acceleration / deceleration time required for returning the stage is added, the detection of the number of picture elements is completed in 4 to 5 seconds.
[0057]
Next, it moves greatly in the y direction as 640 picture elements 2 μm × 640 = 1.28 mm, and the above operation is repeated. If this large movement is repeated 10 times, 6400 × 6000 picture elements will be detected in about 40-50 seconds. That is, an image of 6000 × 6000 picture elements with a resolution of 2 μm, a dynamic range of 2 to the 16th power, and fluorescence detection and weak light detection with a minimum detection intensity of several photons can be realized within 1 minute.
[0058]
In the above embodiment, the detection time required per picture element is short, but when it is larger by one digit or more and the dynamic range of 2 16 is required in the same way, (b) of FIG. The method for detecting the saturation time shown in FIG. If the photon detection pulse width of the photomultiplier can be further shortened, it can be detected by only photon count or a combination of photon count and analog integration detection.
[0059]
It is important to realize a high-sensitivity, high-resolution, wide dynamic range, and high-speed testing device when applying DNA testing, particularly DNA testing using a DNA chip, to applications involving a large number of samples such as mass screening. This can be achieved by using multiple spots or sheet-like beams as described in the above embodiment to detect multiple pixels at the same time, and change the relative position of the excitation light and sample by scanning to detect fluorescence one after another. Became.
[0060]
By simultaneously detecting 64 (M = 64) picture elements of 6000 × 6000 picture elements, detection is performed in a time of (300 microseconds / picture element) or less, that is, an average picture element detection time (300 microseconds / picture element). M) It became possible to detect in the following, and detection became possible in 3 minutes or less per sample. Conventionally, it takes 10 minutes or more to detect the fluorescent image having the number of picture elements, so that the demand for high-speed inspection can be met. Further, by using both photon count and analog integration, detection is possible at a time of 50 microseconds / pixel, or detection is possible in 1 minute or less.
[0061]
Further, by reducing the multi-spot diameter on the sample by fluorescence detection using the above-mentioned multi-spot, a multi-spot excitation light consisting of small spots in which many M diameters are smaller than 3 μm and larger than 0.3 μm, or narrowing width Is irradiated with sheet-like excitation light smaller than 3 μm and larger than 0.3 μm. The fluorescence from each multi-spot or sheet-like irradiation position thus obtained is separated from the excitation light, and a fluorescence image emitted from the sample is detected by a plurality of weak light detection elements. The signals obtained from each detection element are individually stored, the positions of the multi-spot light or sheet-like excitation light and the sample are relatively changed, and the signals are sequentially stored. Thus, signals can be stored and collected over a desired range, and DNA can be examined by constructing a fluorescence image from the collected data. When such a method is used, the resolution of the detected image is increased. If this high resolution is used, for example, fluorescence is added to a desired target DNA as a sample, and the target DNA in the cell is used as a fluorescence image by hybridizing to the corresponding DNA among the single-stranded DNA in the cell. Can be detected and DNA testing of cells is possible.
[0062]
FIG. 10 is a diagram showing an example of fluorescence detection according to the present invention, and is an example of fluorescence detection particularly effective for DNA testing. The same number as FIG. 2 represents the same thing. Instead of the multi-spot light irradiated every 10 picture elements shown in FIG. 2, sheet-like excitation light 2000 is used. The fluorescence obtained by the irradiation of the excitation light is separated from the excitation light in the same manner as the optical system in FIG. 1, and is detected by a one-dimensional photomal array or an ultrasensitive one-dimensional sensor. Excitation with a sheet-like beam is performed simultaneously over, for example, 50 adjacent picture elements in a one-dimensional direction, and is simultaneously detected by a one-dimensional high-sensitivity sensor. By scanning in the x direction, for example, 500 pixels, orthogonal to the sheet-like beam long in the y direction, a fluorescent image of 50 × 500 picture elements is obtained. Next, it moves by 50 picture elements in the y direction, and performs the above-mentioned one scan. If this is repeated 10 times, a fluorescent image of 500 × 500 picture elements is finally obtained. In this embodiment, background noise is slightly larger than in the above-described embodiment in which isolated or separated spot light is irradiated, but fluorescence detection is performed with less noise than in the case of large irradiation in a two-dimensional plane. It is possible. Since the signal obtained from the photomultiplier or the ultra-sensitive one-dimensional sensor is weak light, photon count detection is performed.
[0063]
FIG. 11 shows an embodiment showing a method of generating multi-spot excitation light for fluorescence detection or DNA inspection using fluorescence detection. The laser 27 has a Brewster angle window at both ends of the laser tube 271 in which a laser medium is sealed, and the laser beam emitted from the laser tube is folded by 100% reflection mirrors 272 and 273 at both ends. The laser beam reciprocating between the resonator mirrors is usually more than 10 times the energy of the beam that is taken out of the exit window from the light energy in the laser resonator and taken out of the resonator. When the multi-spot or sheet beam generating hologram plate 270 is inserted into the resonator, the hologram 2701 is pre-made so as to generate a multi-spot or sheet-like beam. A spot 2702 is reproduced. The laser beam irradiated on the hologram forms a multi-spot image with a diffraction efficiency of about 10%. The remaining light is transmitted as zero-order light as it is and reciprocates in the resonator. Since this multi-spot is exactly the same spot as the multi-spot light immediately after passing through the mask-shaped circular aperture array described in FIG. 1, it is possible to irradiate the inspection target with the lens 24 using the configuration of FIG. It becomes possible. As a result, multi-spot light or sheet-like beam with intensity about 10 times that of the conventional arrangement of the hologram in the laser beam path can be obtained, enabling high-speed and high-sensitivity fluorescence detection and DNA inspection. Become.
[0064]
In the above embodiment, the case of one wavelength as the excitation light has been described. However, the present invention is also effective when two wavelengths or three or more wavelengths are used as the excitation light. In this case, it takes a very long time to detect at a plurality of wavelengths in the past, but if photon count detection is performed using the multi-spot light of the present invention, it can be detected with high sensitivity and high speed.
[0065]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a weak fluorescence detection object capable of obtaining a photon pulse of several counts from one picture element, in particular, a DNA microarray used in DNA testing can be detected at high speed with high resolution and high sensitivity. It became possible. Also, analog integration detection is possible, and detection with a very wide dynamic range is possible. That is, for example, a fluorescence image of 6000 × 6000 picture elements is 216It is also possible to detect with a detection time of 1 minute in the dynamic range. As a result, it becomes possible to detect a test object such as a DNA chip in an inspection time of about 1 minute, and it is possible to accurately test a large amount of sample samples collected in a mass screening performed widely. It becomes possible.
[0066]
The present invention is not only applied to DNA testing, but is widely used for fluorescence detection microscopy. The time required for observation and inspection, which previously required a long time, is greatly reduced. In other words, it has become possible to detect even faint light in which only a few photons are detected in a short time. Moreover, it has become possible to detect with high accuracy in a short time over a wide range from weak light to strong detection light.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of a DNA chip inspection apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a plan view of a cell showing the relationship between a cell of a DNA chip according to the present invention and excitation light.
FIG. 3 is a diagram illustrating scanning in the xy direction of a DNA chip according to the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between scanning in the x direction of a DNA chip according to the present invention and photon detection.
FIG. 5 is a diagram showing a photon count signal of faint light.
FIG. 6 is a diagram showing a photon pulse signal in the case of strong detection light.
FIG. 7 is a block diagram showing a circuit configuration for detecting a wide dynamic range according to the present invention.
FIG. 8 is a diagram illustrating a method for determining weak detection light and strong detection light according to the present invention.
FIG. 9 is a diagram illustrating a method for detecting a stronger detection light according to the present invention.
FIG. 10 is a plan view of a cell of a DNA chip showing a case where sheet-like excitation light according to the present invention is used.
FIG. 11 is a perspective view of a part of an optical system showing an example in which a multi-spot according to the present invention is formed by a hologram in a laser resonator.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Control circuit 1A ... Analog switch 1B ... Photon count circuit 211, 212, 213 ... Laser light source 22 ... Multi beam splitter 231 ... Multi lens 232 ... Prism 3 ... Objective lens 4 ... xy stage 5 ... Sample 33 ... Lens 36, 37 ... Interference filters 101, 102 ... Multi-anode photomultiplier

Claims (21)

蛍光特性を有する対象物体に励起光を照射し、該照射により前記対象物体から発生した蛍光を前記励起光から分離し、該分離した蛍光を検出することを前記励起光と前記対象物体との位置を相対的に変化せしめて上記対象物体上の所望の範囲に亘って行い、上記対象物体上の所望の範囲に亘って検出した蛍光のデータから蛍光画像を得る蛍光画像検出方法であって、前記分離した蛍光を検出する工程において前記蛍光を検出して得た信号の内の初期の所定の時間の信号に応じてフォトンカウント処理またはアナログ積分処理の何れかの処理に切り分けて信号処理を実行することを特徴とする蛍光画像検出方法。 Irradiating excitation light to the target object having fluorescent properties, the fluorescence emitted from the object is separated from the excitation light, the position of the target object with the excitation light detecting the fluorescence said separated by the irradiation A fluorescence image detection method for obtaining a fluorescence image from fluorescence data detected over a desired range on the target object by relatively changing In the step of detecting the separated fluorescence, the signal processing is executed by dividing into either the photon count processing or the analog integration processing according to the signal of the initial predetermined time among the signals obtained by detecting the fluorescence. A fluorescent image detection method characterized by that . 前記対象物体は複数の領域に分割されており、該複数の領域のうちの一部の領域のそれぞれにスポット状の励起光を同時に照射することを特徴とする請求項1記載の蛍光画像検出方法。 The fluorescent image detection method according to claim 1, wherein the target object is divided into a plurality of regions, and each of a part of the plurality of regions is simultaneously irradiated with spot-like excitation light. . 前記対象物体の前記同時にスポット状の励起光が照射されたそれぞれの領域から発生した蛍光の像を、該それぞれの領域に対応する検出素子で検出することを特徴とする請求項2記載の蛍光画像検出方法。 3. The fluorescence image according to claim 2, wherein a fluorescence image generated from each region irradiated with the spot-like excitation light of the target object is detected by a detection element corresponding to each region. Detection method. 前記励起光と対象物の相対位置変化は対象物面内方向と対象物体面に垂直な方向の計3方向の内少なくとも1方向とすることにより、2次元又は3次元の蛍光画像を検出することを特徴とする請求項1記載の蛍光画像検出方法。The relative position change between the excitation light and the target is at least one of a total of three directions, ie, the direction in the target plane and the direction perpendicular to the target plane, thereby detecting a two-dimensional or three-dimensional fluorescent image. The fluorescent image detection method according to claim 1 . 前記励起光は2波長以上の多色光であることを特徴とする請求項1記載の蛍光画像検出方法。 The fluorescent image detection method according to claim 1, wherein the excitation light is multicolor light having two or more wavelengths . 蛍光分子が付加されたDNA断片を対応するDNAに結合させて形成したターゲットDNAを複数備えたサンプルに励起光を照射し、該照射により前記ターゲットDNAから発生した蛍光を前記励起光から分離し、該分離した蛍光を検出することを前記励起光と前記サンプルとの位置を相対的に変化せしめて上記サンプル上の所望の範囲に亘って行い、上記サンプル上の所望の範囲に亘って検出した蛍光のデータから蛍光画像を構成し、該蛍光画像に基づいてDNA検査を行うDNA検査方法であって、前記分離した蛍光を検出する工程において前記蛍光を検出して得た信号の内の初期の所定の時間の信号に応じてフォトンカウント処理またはアナログ積分処理の何れかの処理に切り分けて信号処理を実行することを特徴とするDNA検査方法 Irradiating a sample comprising a plurality of target DNAs formed by binding a DNA fragment to which a fluorescent molecule has been added to the corresponding DNA, with excitation light, and separating the fluorescence generated from the target DNA from the excitation light by the irradiation; Detecting the separated fluorescence is performed over a desired range on the sample by relatively changing the positions of the excitation light and the sample, and the detected fluorescence is detected over the desired range on the sample. A DNA inspection method for constructing a fluorescence image from the data and performing a DNA inspection based on the fluorescence image, wherein an initial predetermined signal in the signal obtained by detecting the fluorescence in the step of detecting the separated fluorescence DNA processing method characterized in that signal processing is executed by dividing into photon counting processing or analog integration processing according to the time signal of . 前記サンプルの複数のターゲットDNAのうちの一部のターゲットDNAのそれぞれにスポット状の励起光を同時に照射することを特徴とする請求項6記載のDNA検査方法 7. The DNA testing method according to claim 6, wherein spot-like excitation light is simultaneously irradiated onto each of a part of the target DNAs of the sample . 前記スポット状の励起光を同時に照射する前記一部のターゲットDNAの数が10以上であることを特徴とする請求項7記載のDNA検査方法。  The DNA test method according to claim 7, wherein the number of the partial target DNAs simultaneously irradiated with the spot-like excitation light is 10 or more. 前記サンプルの前記同時にスポット状の励起光が照射されたそれぞれのターゲットDNAから発生した蛍光の像を、該それぞれのターゲットDNAに対応する検出素子で検出することを特徴とする請求項7記載のDNA検査方法 8. The DNA according to claim 7, wherein a fluorescence image generated from each target DNA irradiated with the spot-like excitation light of the sample is detected by a detection element corresponding to each target DNA. Inspection method . 前記分離した蛍光を検出する工程において、アナログ積分が飽和する場合には、アナログ積分が飽和する時間から検出強度を求めるアナログ積分飽和時間検出処理を実行することを特徴とする請求項6記載のDNA検査方法 7. The DNA according to claim 6, wherein, in the step of detecting the separated fluorescence, an analog integration saturation time detection process for obtaining a detection intensity from a time at which the analog integration is saturated is executed when the analog integration is saturated. Inspection method . 前記励起光と前記サンプルとの位置を相対的に変化させることを対象物面内方向と対象 物体面に垂直な方向の計3方向の内少なくとも1方向とすることにより、2次元又は3次元の蛍光画像を検出することを特徴とする請求項6記載のDNA検査方法 By changing the position of the excitation light and the sample relative to each other in at least one of a total of three directions, ie, a direction in the object plane and a direction perpendicular to the target object plane, two-dimensional or three-dimensional The DNA test method according to claim 6, wherein a fluorescent image is detected . 前記励起光は2波長以上の多色光であることを特徴とする請求項6記載のDNA検査方法 The DNA test method according to claim 6, wherein the excitation light is multicolor light having two or more wavelengths . 上記サンプルはDNAチップであることを特徴とする請求項6記載のDNA検査方法 7. The DNA testing method according to claim 6, wherein the sample is a DNA chip . 蛍光分子が付加されたDNA断片を対応するDNAに結合させて形成したターゲットDNAを複数備えたサンプルを載置して平面内で移動可能なテーブル手段と、
該テーブル手段に載置された前記サンプルに励起光を照射する励起光照射手段と、
該励起光照射手段で励起光を照射することにより前記ターゲットDNAから発生する蛍光を前記励起光から分離する蛍光分離手段と、
該蛍光分離手段により分離した蛍光を検出する蛍光検出手段と、
前記励起光照射手段で励起光を照射して前記蛍光検出手段で蛍光を検出することを前記サンプル上の所望の範囲に亘って行うように前記テーブル手段の駆動を制御する制御手段と、
該制御手段で前記テーブル手段の駆動を制御しながら前記サンプル上の所望の範囲に亘って前記蛍光検出手段で検出した蛍光のデータから蛍光画像を構成する蛍光画像構成手段と、
該蛍光画像構成手段で構成した蛍光画像に基づいてDNA検査を行う検査手段とを備えたDNA検査装置であって、
前記蛍光検出手段は、検出器とフォトンカウント処理回路とアナログ積分処理回路とを有し、前記検出器で蛍光を検出して得た信号の内の初期の所定の時間の信号に応じて前記検出器で蛍光を検出して得た信号を前記フォトンカウント処理回路またはアナログ積分処理回路の何れかの処理回路に切り分けて信号処理を実行することを特徴とするDNA検査装置
A table means on which a sample having a plurality of target DNAs formed by binding a DNA fragment to which a fluorescent molecule has been added to the corresponding DNA, can be moved in a plane;
Excitation light irradiation means for irradiating the sample placed on the table means with excitation light;
Fluorescence separation means for separating fluorescence generated from the target DNA by irradiating excitation light with the excitation light irradiation means from the excitation light;
Fluorescence detection means for detecting fluorescence separated by the fluorescence separation means;
Control means for controlling the driving of the table means so as to perform excitation light irradiation with the excitation light irradiation means and detection of fluorescence with the fluorescence detection means over a desired range on the sample;
A fluorescence image forming means for forming a fluorescence image from fluorescence data detected by the fluorescence detection means over a desired range on the sample while controlling the driving of the table means by the control means;
A DNA testing apparatus comprising testing means for performing DNA testing based on the fluorescence image constructed by the fluorescence image construction means,
The fluorescence detection means includes a detector, a photon count processing circuit, and an analog integration processing circuit, and the detection is performed according to a signal at an initial predetermined time among signals obtained by detecting fluorescence with the detector. A DNA test apparatus characterized in that a signal obtained by detecting fluorescence with a vessel is separated into a processing circuit of either the photon count processing circuit or the analog integration processing circuit and signal processing is executed .
前記励起光照射手段は、前記サンプルの複数のターゲットDNAのうちの一部のターゲットDNAのそれぞれにスポット状の励起光を同時に照射することを特徴とする請求項14記載のDNA検査装置 15. The DNA testing apparatus according to claim 14, wherein the excitation light irradiating means simultaneously irradiates each of a part of target DNAs of the sample with spot-like excitation light . 前記スポット状の励起光を同時に照射する前記サンプルの複数のターゲットDNAのうちの一部のターゲットDNAの数が10以上であることを特徴とする請求項15記載のDNA検査装置 The DNA test apparatus according to claim 15, wherein the number of target DNAs in a part of the plurality of target DNAs of the sample irradiated simultaneously with the spot-like excitation light is 10 or more . 前記蛍光検出手段の検出器は複数の検出素子を有し、前記励起光照射手段により同時にスポット状の励起光が照射されたそれぞれのターゲットDNAから発生した蛍光の像を、該それぞれのターゲットDNAに対応する前記検出素子で検出することを特徴とする請求項14記載のDNA検査装置 The detector of the fluorescence detection means has a plurality of detection elements, and images of fluorescence generated from the respective target DNAs simultaneously irradiated with the spot-like excitation light by the excitation light irradiation means are applied to the respective target DNAs. 15. The DNA test apparatus according to claim 14, wherein detection is performed by the corresponding detection element . 前記蛍光検出手段は、アナログ積分が飽和する時間から検出強度を求めるアナログ積分飽和時間検出処理回路を更に有し、前記検出器で蛍光を検出して得た信号の内の初期の所定の時間の信号に応じて前記検出器で蛍光を検出して得た信号を前記フォトンカウント処理回路、前記アナログ積分処理回路または前記アナログ積分飽和時間検出処理回路の何れかの処理回路に切り分けて信号処理を実行することを特徴とする請求項14記載のDNA検査装置 The fluorescence detection means further includes an analog integration saturation time detection processing circuit for obtaining a detection intensity from a time at which the analog integration is saturated, and detects an initial predetermined time of signals obtained by detecting fluorescence with the detector. The signal obtained by detecting the fluorescence with the detector according to the signal is divided into the processing circuit of the photon count processing circuit, the analog integration processing circuit, or the analog integration saturation time detection processing circuit, and the signal processing is executed. 15. The DNA testing apparatus according to claim 14, wherein 前記制御手段は前記テーブル手段の駆動を制御して前記励起光と前記サンプルとの位置を対象物面内方向と対象物体面に垂直な方向の計3方向の内少なくとも1方向に相対的に 変化させ、前記蛍光画像構成手段は2次元又は3次元の蛍光画像を構成することを特徴とする請求項14記載のDNA検査装置 The control means controls the driving of the table means to relatively change the positions of the excitation light and the sample in at least one of a total of three directions, ie, a direction in the object plane and a direction perpendicular to the object plane. The DNA test apparatus according to claim 14, wherein the fluorescent image constructing means constructs a two-dimensional or three-dimensional fluorescent image . 前記励起光照射手段は、2波長以上の多色光を励起光として前記サンプルに照射することを特徴とする請求項14記載のDNA検査装置 The DNA test apparatus according to claim 14, wherein the excitation light irradiation means irradiates the sample with multicolor light having two or more wavelengths as excitation light . 上記サンプルはDNAチップであることを特徴とする請求項14記載のDNA検査装置 15. The DNA test apparatus according to claim 14, wherein the sample is a DNA chip .
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