JP4010870B2

JP4010870B2 - スポッティング装置

Info

Publication number: JP4010870B2
Application number: JP2002144296A
Authority: JP
Inventors: 良司村椿; 正杉森; 晴記中島; 栄一民谷; 裕二村上
Original assignee: Sugino Machine Ltd
Current assignee: Sugino Machine Ltd
Priority date: 2001-08-31
Filing date: 2002-05-20
Publication date: 2007-11-21
Anticipated expiration: 2022-05-20
Also published as: JP2003149094A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板上に複数のマイクロウェルが集積化されたマイクロウェル集積体の個々のマイクロウェル内に定められた試薬を配置する又は個々のマイクロウェル内の試薬を採取するスポッティング装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来．ガラスプレートなどに試薬をスポットする装置では、平面のガラスプレート上に対して、試薬を予め定められたピッチでスポットしていた。画像処理は備えていたとしてもチップ上の一部分を測定して、チップ全体の位置補正を行うものであった。
【０００３】
また近年、医療の分野では遺伝子（ＤＮＡ）を用いた治療や薬品の開発が行われている。例えば、異なる遺伝子のコピーを試料としてガラス板や合成樹脂板等からなる基板上に数千個〜数万個張り付けた所謂「ＤＮＡチップ」と呼ばれるものや、また、半導体等の基板上に数千個〜数万個の極小の反応槽（マイクロウェル）を備え、このマイクロウェル内に遺伝子（ＤＮＡ）を始めとして、蛋白質を合成する試料や酵素を入れて反応を行う所謂「タンパク合成チップ」と呼ばれるものが提案されている（特開２０００−２３６８７６）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のような装置では、多数の極小の反応槽（マイクロウェル）が存在するチップでは、ウェルに対して正確に試薬を滴下するのは困難であった。画像処理が無いものはもちろんであるが画像処理を備えていても、ノズルの中心と位置決め点とのずれや実際のスポットでのずれが必ず生じる。
【０００５】
また、チップ自体の製造精度が悪いと正確な位置に位置決めが出来ない。ウェル間の距離が極めて狭いので、従来のようにスポットがずれると隣接するウェルとのコンタミネーションが発生する恐れがある。また、ウェルの検査、指定が出来ないため、特定のウェルに対して試薬を配置、もしくは採取するということが出来ない。
【０００６】
本発明は、マイクロウェル集積体の個々のマイクロウェル内に定められた試薬を正確に配置することができる、又は個々のマイクロウェル内の試薬を正確に採取することができるスポッティング装置を得ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載された発明に係るスポッティング装置は、基板上に複数のマイクロウェルが集積化されたマイクロウェル集積体の個々のマイクロウェル内への試薬の配置又は個々のマイクロウェル内からの試薬の採取を行うスポッティング装置であって、
前記マイクロウェル集積体を載置した基台上面に対して縦・横・高さの３方向に相対移動可能な移動手段と、
前記移動手段に備えられ、前記個々のマイクロウェル内に試薬を配置又は個々のマイクロウェル内から試薬を採取するスポッティングヘッド手段と、
前記複数のマイクロウェルの配列を上方より撮影する撮像手段と、
前記撮像手段で得た画像情報から個々のマイクロウェル像の位置情報を算出する演算手段と、
前記演算手段によって算出された位置情報に基づいて前記移動手段及びスポッティングヘッド手段を制御する制御手段とを備え、
前記演算手段が、前記撮像手段の画像情報から個々のマイクロウェル像の面積重心位置の情報を含む位置情報を算出することを特徴とするものである。
【０００８】
請求項２に記載された発明に係るスポッティング装置は、請求項１に記載の基台上面には予め位置情報が既知の少なくとも２つの基準点が設定され、
前記２つの基準点への前記スポッティングヘッド手段による疑似スポッティングを行い、前記基準点とノズル先端位置とのズレ量を前記画像情報から計測して前記制御手段の校正情報として用いることを特徴とするものである。
【０００９】
請求項３に記載された発明に係るスポッティング装置は、請求項１又は２に記載の撮像手段で得た画像情報中の個々のマイクロウェル像に識別情報を付すラベル付与手段を備え、
前記制御手段が個々の識別情報に対応して位置制御を行うことを特徴とするものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明においては、基板上に複数のマイクロウェルを集積化するマイクロウェル集積体を載置した基台上面に対して縦・横・高さの３方向に相対移動可能な移動手段と、この移動手段に備えられ前記個々のマイクロウェル内に試薬を配置又は個々のマイクロウェル内から試薬を採取するスポッティングヘッド手段と、複数のマイクロウェルの配列を上方より撮影する撮像手段と、この撮像手段で得た画像情報から個々のマイクロウェル像の位置情報を算出する演算手段と、この演算手段によって算出された位置情報に基づいて前記移動手段及びスポッティングヘッド手段を制御する制御手段とを備え、演算手段が前記撮像手段の画像情報から個々のマイクロウェル像の面積重心位置の情報を含む位置情報を算出するものであるため、マイクロウェル集積体の個々のマイクロウェル内に定められた試薬を正確に配置することができる、又は個々のマイクロウェル内の試薬を正確に採取することができる。
【００１１】
本発明の移動手段としては、マイクロウェル集積体が載置される基台自体をスポッティングヘッド手段を備えた移動手段に対して縦・横・高さの３方向に移動させても良いし、基台に対して移動手段を縦・横・高さの３方向に移動させても良い。装置のコンパクト化の点から基台に対して移動手段を移動させる方が有利である。
【００１２】
この移動手段は、基台上面に対して縦・横・高さの３方向に相対移動可能であるならば如何なる機構のものをも含む。例えば、基台上面に対して平行なｙ方向に延ばされた一対のレール（ｙアーム部）上に横架された状態で移動可能な基台上面に対して平行で尚且つｙ方向に直行するｘ方向に延ばされたｘアーム部（ｙステージ）を備え、このｘアーム部上を移動可能なｘステージにｘ方向とｙ方向とに直行するｚ方向にｚアーム部を備え、このｚアーム部上にスポッティングヘッド手段を備えたｚステージを備えればよい。個々のアーム部とステージとは個別のモータを制御手段で制御して移動する。
【００１３】
本発明のスポッティングヘッド手段としては、マイクロウェル集積体上に集積された複数のマイクロウェル内に試薬を配置するもの、又はマイクロウェル内の試薬を採取するものであればよい。例えば、試薬を先端につけてこの先端部をマイクロウェル内壁に接触させて試薬を配置させ、逆にマイクロウェル内の試薬を先端につけて採取する棒状のスポッティングヘッド手段でも可能であるが、マイクロピペット、マイクロシリンジのような注液又は吸引ノズルを備え、試薬を出し入れするものでもよい。
【００１４】
本発明の撮像手段としては、マイクロウェル集積体の複数のマイクロウェルの配置を上方より撮影するものであればよい。例えば、マイクロウェル集積体の複数のマイクロウェルの配置認識可能な解像度を有するラインカメラ、エリアカメラ等が挙げられる。この撮像手段は、少なくとも基台上のマイクロウェル集積体の上部に配置されればよく、移動手段とは別に支持アームを用いて配置しても良いし、移動手段の何れかのステージ、例えば前述のｚステージ又はｘステージに配置しても良い。
【００１５】
本発明の演算手段は、撮像手段の画像から個々のマイクロウェル像の正確な位置情報を算出するものであればよく、特に、撮像手段の画像から個々のマイクロウェル像の重心位置によって位置情報を算出するものである。この演算手段は、例えば画像の輝度又は明度に応じてマイクロウェルを特定し、その領域内の画素に応じた重心を求めるようにすればよい。従って、専用の中央演算処理を備えた演算手段を装置に付設させても良いし、市販のパーソナルコンピュータによって演算処理を行っても良い。
【００１６】
本発明の制御手段としては、演算手段によって算出された位置情報に基づいて移動手段及びスポッティングヘッド手段を制御するものであればよい。具体的には、移動手段のｙアーム部、ｘアーム部、ｚアーム部上を各々のステージが移動するためのモータの駆動量を各々制御すればよい。従って、専用の中央演算処理を備えた制御手段を装置に付設させても良いし、市販のパーソナルコンピュータによって個々のモータを制御する制御処理を行っても良い。
【００１７】
本発明のマイクロウェル集積体としては、例えば、開口部が１００μｍ×１００μｍで深さが４０μｍの四角錐状のマイクロウェルを、隣接するマイクロウェル間の間隙が１００μｍで均等に縦横に並べたものが挙げられる。このマイクロウェル集積体を基台上の定められた位置に誤差なく載置・固定すればマイクロウェル集積体ごとに設定する必要はない。しかし、載置・固定する際にマイクロウェル集積体の固定位置にはずれが生じる。また、スポッティングヘッド手段も取り替えたり、曲がったりして先端位置がずれる場合もある。
【００１８】
そこで、本発明においては、基台上面には予め位置情報が既知の少なくとも２つの基準点が設定され、２つの基準点へのスポッティングヘッド手段による疑似スポッティングを行い、基準点とノズル先端位置とのズレ量を前記画像情報から計測して前記制御手段の校正情報として用いるため、マイクロウェル集積体や吸引ノズルの取替に応じても補正が可能でマイクロウェル集積体の個々のマイクロウェル内に定められた試薬を正確に配置することができる、又は個々のマイクロウェル内の試薬を正確に採取することができる。尚、疑似スポッティングとは、試薬を含めたスポット液を基準点又は基準点から所定距離離れた位置に重なるようにスポットする試し打ち行為を指す。
【００１９】
即ち、本発明では、マイクロウェルに対して試薬を配置又は試薬を採取する前に、キャリブレーション用の基準マークを用いて試し打ちを行いその位置を検出させ、計測したスポット位置のずれを実際のウェルヘのスポットに反映させ、ノズルの位置校正を行う。
【００２０】
また、本発明では、撮像手段で得た画像情報中の個々のマイクロウェル像に識別情報を付すラベル付与手段を備え、制御手段が個々の識別情報に対応して位置制御を行うものであるため、マイクロウェル集積体や吸引ノズルの取替に応じても補正が可能でマイクロウェル集積体の個々のマイクロウェル内に定められた試薬を正確に配置することができる、又は個々のマイクロウェル内の試薬を正確に採取することができる。
【００２１】
即ち、本発明では、マイクロウェル集積体のセット時の位置ずれを補正し、各ウェルに正確にスポットするために、撮像手段を用い、マイクロウェル集積体上の全てのウェルについてその面積及び重心を計測する。画像処理によって計測されたウェルに対してその重心位置によって順番にラベリングをおこなう。ラベルは作業者が目的のウェルを特定、確認し易いように縦、横の配列で並べる。これにより目視では確認できないような微小なウェルの指定およびそのウェルヘの位置決めによる試薬の配置、採取が容易となる。
【００２２】
また、読込んだマイクロウェル集積体画像を拡大して各ウェルをモニタで確認できるので、反応が確認されたウェルを検出し、反応後の試料を採取したり、そこにさらに別の試薬やビーズなどの物質を滴下することも可能である。また、ゴミの付着があった場合に不良ウェルとして認識したりもできる。
【００２３】
【実施例】
図１は本発明のスポッティング装置の概略を示す側面図である。図２は図１の平面図である。図に示す通り、基台１１の対向する平行な２辺を囲むように一対のレール１２，１３が立上り、このｙアーム部としてのレール１２，１３上に横架された状態で移動可能なｙステージ１４が備わっている。ｙステージ１４は一対のレール上を移動させるためのリニアモータ（図示せず）が搭載され、高い位置精度を得ることができる。
【００２４】
ｙステージ１４にはレール１２，１３に直行する方向に渡されたｘアーム部１５に沿って移動可能なｘステージ１６が備わっている。このｘステージ１６にもｘアーム部１５上を移動させるためのラインモータ（図示せず）が搭載され、高い位置精度を得ることができる。このｘステージ１６には高さ方向に延ばされたｚアーム部１７に沿って移動可能なｚステージ１８が備わっている。このｚステージ１８ではサーボモータとボールネジ（図示せず）でｚアーム部１７上を移動させるため、高い位置精度を得ることができると共に電源が切れた場合でも自重で下がることがない利点も有する。尚、ｘアーム部１５には、撮像手段としてのラインカメラ１９が載置されている。
【００２５】
ｚステージ１８には、基台１１上に載置・固定されたマイクロウェル集積体２０に形成されたマイクロウェル内に試薬を配置及び個々のマイクロウェル内から試薬を採取するスポッティングヘッド２１が備わっている。
【００２６】
マイクロウェル集積体２０が載置・固定されている基台１１上には、ノズルの洗浄を行う洗浄ユニット２２と、洗浄したノズルを乾燥させる乾燥ユニット２３と、ノズル先端位置の誤差修正を行うための位置情報が既知のキャリブレーションチップ２４と、試薬入れ２５とが並設されている。尚、マイクロウェル集積体２０としては、特開２０００−２３６８７６に示されたものと類似のものを用いた。
【００２７】
図３は本発明のスポッティング装置の制御構成を示す説明図である。図に示す通り、ホストＰＣ３１は主に移動手段としてのｙ，ｘ，ｚステージに搭載された各々のリニアモータをコントロールして各々のステージの位置制御を行っている。画像処理ＰＣ３２はｘアーム部１５に搭載されたラインカメラ１９の制御と、基台１１周辺に配した照明器具（図示せず）の光量調整の制御とを行っている。
【００２８】
ホストＰＣ３１と画像処理ＰＣ３２はそれぞれシリアル通信又はイーサネット（登録商標）で接続し、画像処理で計測された各データや、設定値の転送をおこなう。特にウェルに関するデータはデータ量が大きいので、イーサネットにより高速データ転送を行った。
【００２９】
尚、高解像度を得るためにラインカメラを用いているが、エリアカメラを用いても良い。また、高い位置精度を得るためリニアモータ及びサーボモータを使用したステージを使用しているが、その他にもステッピングモータを使用しても可能である。
【００３０】
本発明のスポッティング装置の動作は次の通りである。
(1) 作業者がマイクロウェル集積体２０を基台１１上にセットする。図４は基台上にマイクロウェル集積体をセットする際の説明図であり、ａ図は平面図、ｂ図は断面図である。図に示す通り、基台１１上にはマイクロウェル集積体２０の４辺を固定する固定治具４１が備わり、これら固定治具４１に囲まれたほぼ中央の基台１１には、吸引孔４２が穿設されている。このため、マイクロウェル集積体２０を４つの固定治具４１で固定した後、エアで吸着してしっかりと固定する。
【００３１】
(2) キャリブレーションをおこなう。即ち、基台１１に設定されたキャリブレーションチップ２４上の２つの基準マークを読み込む。図５はキャリブレーションの状態を示す説明図である。ａ図に示す通り、定められた距離の２つの基準マーク５１間の画素数を測定し、１画素あたりの距離を補正する。次にｂ図に示す通り、２つの基準マークの座標を測定し、装置全体のズレ量（θ）を補正する。次にｃ図に示す通り、基準マーク座標から決められた位置（基準マークでも可）でスポットして、実際の位置５２を測定し．装置と実際のスポット位置とのズレ量（ａ，ｂ）を調べ、補正する。
【００３２】
(3) マイクロウェル集積体画像をラインカメラで読み込む。
(4) 各ウェルにラベルを付ける。図６はラインカメラで読み込んだマイクロウェル集積体２０の部分図の各ウェルに識別符号を付した状態を示す説明図である。図に示す通り、マイクロウェル集積体２０の左上のウェルを１番目として、左から右方向及び上から下方向にかけて、順番に番号を付した。尚、ラベルの順番はマイクロウェル集積体によらず常に同じとし、左から右方向につけていく。
【００３３】
(5) 各ウェルの画像取込点からの距離を計測する。尚、(4) 及び(5) の操作は、新規画像取り込み後、画像処理ＰＣにて自動で処理する。
(6) 画像処理で計測したデータをホストＰＣに転送する。
【００３４】
(7) 作業者がスポットする条件をホストＰＣ上で設定する。尚、設定項目は次の通りである。
・各ウェルに対してスポットする試薬Ｎｏ、
・スポットするマイクロウェル集積体数、
・試薬変更時の洗浄工程有無、
・同一試薬使用時の連続スポット数、
・洗浄時間、
・乾燥時間、
【００３５】
(8) 設定に台わせて指定された試薬を各ウェルに対してスポットする。
(9) 一つのマイクロウェル集積体が完了したら、次のマイクロウェル集積体に対して(2) から画像処理をおこなう。
(10)全てのマイクロウェル集積体に対してスポットが完了したら、運転終了とする。
【００３６】
以上のように、本発明によりマイクロウェル集積体上の微細なウェル上でＤＮＡをはじめとする各種の反応試験が一度に大量に可能とすることができる。ＤＮＡやタンパク質の試験において使用される試薬は高価であり、またサンブル数を多数とらなくてはならないため、１つのマイクロウェル集積体上でおこなう場合には、隣接するウェルとのコンタミネーションの発生を抑える必要がある。本発明では高精度にウェルに対してスポット可能であり、このようなコンタミネーションを極力抑えることができる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明は以上説明した通り、マイクロウェル集積体の個々のマイクロウェル内に定められた試薬を正確に配置することができる、又は個々のマイクロウェル内の試薬を正確に採取することができるスポッティング装置を得ることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のスポッティング装置の概略を示す側面図である。
【図２】図１の平面図である。
【図３】本発明のスポッティング装置の制御構成を示す説明図である。
【図４】基台上にマイクロウェル集積体をセットする際の説明図である。
【図５】キャリブレーションの状態を示す説明図である。ａ図は１画素あたりの距離の補正、ｂ図は装置全体のズレ量（θ）の補正、ｃ図はスポット位置とのズレ量（ａ，ｂ）の補正を行う場合を示す。
【図６】ラインカメラで読み込んだマイクロウェル集積体２０の部分図の各ウェルに識別符号を付した状態を示す説明図である。
【符号の説明】
１１…基台、
１２…レール、
１３…レール、
１４…ｙステージ、
１５…ｘアーム部、
１６…ｘステージ、
１７…ｚアーム部、
１８…ｚステージ、
１９…ラインカメラ、
２０…マイクロウェル集積体、
２１…スポッティングヘッド、
２２…洗浄ユニット、
２３…乾燥ユニット、
２４…キャリブレーションチップ、
２５…試薬入れ、
３１…ホストＰＣ、
３２…画像処理ＰＣ、
４１…固定治具、
４２…吸引孔、
５１…基準マーク、

Claims

基板上に複数のマイクロウェルが集積化されたマイクロウェル集積体の個々のマイクロウェル内への試薬の配置又は個々のマイクロウェル内からの試薬の採取を行うスポッティング装置であって、
前記マイクロウェル集積体を載置した基台上面に対して縦・横・高さの３方向に相対移動可能な移動手段と、
前記移動手段に備えられ、前記個々のマイクロウェル内に試薬を配置又は個々のマイクロウェル内から試薬を採取するスポッティングヘッド手段と、
前記複数のマイクロウェルの配列を上方より撮影する撮像手段と、
前記撮像手段で得た画像情報から個々のマイクロウェル像の位置情報を算出する演算手段と、
前記演算手段によって算出された位置情報に基づいて前記移動手段及びスポッティングヘッド手段を制御する制御手段とを備え、
前記演算手段が、前記撮像手段の画像情報から個々のマイクロウェル像の面積重心位置の情報を含む位置情報を算出することを特徴とするスポッティング装置。
前記基台上面には予め位置情報が既知の少なくとも２つの基準点が設定され、
前記２つの基準点への前記スポッティングヘッド手段による疑似スポッティングを行い、前記基準点とノズル先端位置とのズレ量を前記画像情報から計測して前記制御手段の校正情報として用いることを特徴とする請求項１に記載のスポッティング装置。
前記撮像手段で得た画像情報中の個々のマイクロウェル像に識別情報を付すラベル付与手段を備え、
前記制御手段が個々の識別情報に対応して位置制御を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載のスポッティング装置。