JP4057607B2 - 多チャンネル多重カラー測定のための光検出装置及びそれを採用した多チャンネル試料分析器 - Google Patents

多チャンネル多重カラー測定のための光検出装置及びそれを採用した多チャンネル試料分析器 Download PDF

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Description

本発明は、多チャンネル多重カラー測定のための光検出装置及びそれを採用した多チャンネル試料分析器に係り、さらに詳細には、一つの光検出素子を使用して多チャンネル試料を高速で検出しつつ、色々な波長に対して測定可能な光検出装置及びそれを採用した多チャンネル試料分析器に関する。
試料に特定波長の光を照射した後、試料から放出される光のスペクトルを検出して試料の成分を分析する方法は、公知である。例えば、DNAのそれぞれの塩基を反応波長の異なる蛍光染料で染色した後、前記蛍光物質から放出される波長の強度を分析することによって、DNAの塩基序列を決定できる。
図1は、一般的な蛍光分析装置の原理を説明するための図面である。図1に示したように、一般的な蛍光分析装置100は、試料130に光を照射するための光学部110と試料130から放出された光を検出するための検出部120とに大別される。光学部110は、通常、光源112、二色ミラー114、対物レンズ115及び試料ホルダー117で構成される。また、検出部120は、例えば、光増倍管(Photo Multiplier Tube:PMT)のような光検出器125及び特定波長の光のみを通過させるフィルタ121で構成される。光源112としては、ハロゲンランプ、LED(Light Emitting Diode)またはレーザを多様に使用できる。光源112から放出された光は、二色ミラー114によって反射されて試料ホルダー117上の試料130に入射する。試料130によって放出された光は、二色ミラー114を通過して検出部120に入射する。検出部120に入射した光は、フィルタ121を通過して特定波長のみを有し、光検出器125は、前記特定波長の光の強度を検出する。このとき、前記フィルタ121や光源112の波長特性を変化させつつ、試料から放出される波長の強度を分析すれば、試料の成分が詳細に分かる。
最近には、試料分析の効率性を高め、高速で試料を測定するために、多チャンネル試料分析装置が開発されている。幾つかの試料を一度に分析できる多チャンネル試料分析装置は、大きく2種類があるが、一つは、幾つかの光検出器を利用して複数の試料を同時に測定する装置であり、他の一つは、一つの光検出器のみを利用して順次に複数の試料を測定する装置である。
幾つかの光検出器を利用して複数の試料を同時に測定する装置には、試料数だけ用意された個々の光検出器を使用して、一つの試料から放出された光を一つの光検出器が測定する装置(Cepheid Smart Cycler(登録商標))(特許文献1参照)と、大面積の光を色々な試料に一度に照射した後、試料から放出された光を一つの大面積のCCD(Charge Coupled Device)で測定する装置(ABI Proism 7000(登録商標)、BioRad iCycler(登録商標))とがある(特許文献2参照)。しかし、試料数と同じ数の個々の光検出器を使用する場合、それぞれの光検出器の前には、分光の必要な波長帯域をカバーするフィルタが位置し、これに対応して検出器も多チャンネル測定可能に構成せねばならないので、サンプル数に比べて、過度に多くの光検出器が消耗されるという短所がある。CCDを利用する場合には、一つのフィルタホイールのみを使用しても良いが、蛍光分析で要求される精度を有する大面積CCDが非常に高コストの部品であるため、やはり多チャンネル試料分析装置の製造コストが上昇して、小型分析装置には不適である。このとき、色々な波長を利用して多チャンネル分析を行うために、図2に示したように、CCDの前に回転するフィルタホイールを配置することが通常である。しかし、CCDの測定解像度と関連したフレームレート(秒当たりにCCDが読み出す画面の数)の制限のためにフィルタホイールの速度を向上させるのにも一定の限界があって、幾つかの波長を高速で測定するのには依然として制限がある。
また、一つの光検出器のみを利用して順次に色々な試料を測定する装置は、通常、試料ホルダー上に複数の試料を載せて、前記試料上をスキャニングしつつ試料を測定する。しかし、同様に、一つの試料に対して色々な波長を分光測定するためには、フィルタホイールも回転せねばならないので、実際測定時間は、試料に対する位置スキャニング時間とフィルタホイール回転時間とが乗算されたものであるので、測定所要時間が長いという短所がある。
したがって、一つの光検出器及びフィルタホイールのみを使用して、複数の試料を高速で色々な波長に対して測定できる新たな検出部が要求される。
米国特許第6369893号明細書 米国特許出願公開第2003/0148505号明細書
本発明が解決しようとする課題は、前述した従来の問題点を改善するためのものであって、一つの光検出素子を使用して多チャンネル試料を高速で色々な波長に対して測定可能な光検出装置及びそれを採用した多チャンネル試料分析器を提供することである。
本発明が解決しようとする他の目的は、小型化が可能であり、かつ製造コストが低い多チャンネル多重カラー測定のための光検出装置及びそれを採用した多チャンネル試料分析器を提供することである。
本発明の一類型による光検出装置は、光検出器と、少なくとも二つのカラーフィルタがディスク状に互いに結合されたフィルタホイールと、複数の光を前記フィルタホイールに入射させるための複数の光チャンネルと、前記フィルタホイールを通過した複数の光をそれぞれ前記光検出器に順次に反射させるための複数のミラーが装着されたミラー部と、を備え、前記ミラー部は、前記フィルタホイールと共に回転することを特徴とする。
このとき、前記複数の光チャンネルは、前記フィルタホイールの回転中心と光検出器とを連結する線上で、フィルタホイールの直径方向に沿って前記フィルタホイールの上方にそれぞれ一列に配置されており、前記光チャンネルの高さは、前記光検出器から遠くなるほど低くなることを特徴とする。
また、前記ミラー部に装着された複数のミラーは、前記光チャンネルから出射された光を前記光検出器に反射させるために、前記複数の光チャンネルのうち何れか一つとそれぞれ対応し、それぞれ対応する光チャンネルと同じ半径位置に配置される。そして、前記ミラー部に装着された複数のミラーは、ミラー部上の方位角位置が異なって配置されることによって、ミラー部の回転時、前記複数の光チャンネルから出射された光を一つずつ順次に光検出器に向かって反射させることを特徴とする。
一方、本発明の他の類型によれば、複数の試料にそれぞれ光を照射するための光源部、複数の試料から放出された光を検出するための光検出部、及び前記複数の試料から放出された光を受光して前記光検出部に伝達するための光伝送部を備える多チャンネル試料分析器において、前記光検出部は、光検出器と、少なくとも二つのカラーフィルタがディスク状に互いに結合されたフィルタホイールと、複数の光を前記フィルタホイールに入射させるための複数の光チャンネルと、前記フィルタホイールを通過した複数の光をそれぞれ前記光検出器に順次に反射させるための複数のミラーが装着されたミラー部と、を備え、前記ミラー部は、前記フィルタホイールと共に回転することを特徴とする。
ここで、前記光伝送部は、試料から放出された光を受光する受光部、及び受光部から受光された光を前記光検出部に伝達するための光ファイバを含む。
また、前記多チャンネル試料分析器は、前記光源部から放出された光を試料に進め、試料から放出された光を前記光伝送部に進める二色ミラーと、前記複数の試料を固定するための試料ホルダーと、前記フィルタホイール及びミラー部を回転させるための駆動装置と、をさらに備えることを特徴とする。
本発明によれば、一つの光検出素子とフィルタホイールとを利用して、高速に複数の光信号を順次に検出することが可能である。また、光検出装置の構成が簡単であるため、装置の小型化が可能であり、低コストで製造できる。
また、本発明によれば、フィルタホイールの数によって測定可能な波長の数を増加させることができ、検出できる光信号の数をミラーセクターの角度及び数によって調節できる。
以下、添付した図面を参照して、本発明の一実施形態による多チャンネル多重カラー測定のための光検出装置及びそれを採用した多チャンネル試料分析器の構成及び動作について詳細に説明する。
図3は、本発明による光検出装置を概略的に示す斜視図である。図3に示したように、本発明による光検出装置10は、例えば、PMTのような光検出器18、複数のカラーフィルタ12a〜12dがディスク状に互いに結合されたフィルタホイール12、複数の光を前記フィルタホイール12に入射させるための複数の光チャンネル17,19、及び複数の光チャンネル17,19から出射された光をそれぞれ前記光検出器18に順次に反射させるための複数のミラー21〜25が装着されたミラー部20を備える。そして、本発明による光検出装置10は、前記フィルタホイール12とミラー部20とを同じ速度で共に回転させるための、例えば、スピンドルモータ15をさらに備えうる。ここで、光チャンネル17a〜17dは、試料から放出された光をフィルタホイール12に入射させるためのものであり、光チャンネル19は、フィルタホイール12の1回転を知らせるためのマーク光を入射させるためのものである。したがって、光チャンネル19は、例えば、別途のレーザダイオード(LD:Laser Diode)でありうる。図3に示したように、フィルタホイール12の上部に配置された前記複数の光チャンネル17,19は、フィルタホイール12の回転中心と光検出器18とを連結する線上で、フィルタホイール12の直径方向に沿ってそれぞれ一列に配置されている。一方、図3には、フィルタホイール12が4つのカラーフィルタ12a〜12dで構成されている場合を示しているが、これは例示的なものであり、カラーフィルタの数には制限がない。
図4は、本発明による光検出装置10を概略的に示す断面図である。図4に示したように、光検出器18は、フィルタホイール12及びミラー部20の外周面の付近に位置し、ミラー部20から反射された光を検出する。ミラー部20には、複数のミラー21〜25が前記複数の光チャンネル17,19とそれぞれ対向するように設置されている。したがって、光チャンネル17aから出射された光は、ミラー21によって反射されて光検出器18に進む。また、光チャンネル17bから出射された光は、ミラー22によって反射されて光検出器18に進む。かかる方式で、最も内側の光チャンネル19から出射された光は、最も内側のミラー25によって反射されて光検出器18に進む。
このとき、前記複数の光チャンネル17,19から出射された光は、光路の長さを何れも同一にするために、内側に行くほど光チャンネル17,19の長さが短縮される。図5は、これを説明するための図面である。図5に示したように、光検出器18が入射する光の強度を正確に測定するためには、光検出器18の検出面全体に均等に光が入射することが良い。このために、それぞれの光チャンネルに入射する光は、適切にフォーカシングされねばならない。また、全ての光チャンネルから出射する光が光検出器18の検出面に同一にフォーカシングされるためには、光検出器18と光チャンネル17,19との間の光路の長さが一定でなければならない。したがって、光検出器18から最も近いミラー21と対向する光チャンネル17aの場合、光チャンネル17,19のうち、長さが最も長い。すなわち、光チャンネル17aとミラー21との間の光路の長さを最も長くする。かかる方式で、図5に示したように、光検出器18とミラーとの間の距離が遠くなるほど、ミラーと対向する光チャンネルの長さを短縮させる。そして、光チャンネル17の入射部には、光を収束するためのレンズがそれぞれ設置される。
一方、ミラー部20上の複数のミラー21〜25が光チャンネル17,19と同様にフィルタホイール12の直径方向に沿って一列に配置されている場合、ミラー部20の内側にあるミラーから反射された光は、外側のミラーによって遮断されるという問題が発生する。また、半透過性材料を使用して、複数のミラー21〜25を形成する場合にも、一つの光検出器18に複数の光チャンネルから出射された光が同時に一度に入射するため、光検出器18が正確に測定できない。図6は、本発明による光検出装置10で、前述した問題を防止するための複数のミラー21〜25の配置を示す平面図である。図6で、“×”で表示したものは、ミラー部20上の複数のミラーの位置を表す。また、“○”で表示したものは、光チャンネル17,19の位置を表す。
図6に示したように、ミラー部20上の複数のミラー21〜25は、方位角方向に一定の間隔で互いに離隔されて配置されており、方位角方向に沿って行きつつ、順次にミラー部20の内側に設置される。すなわち、前記複数のミラー21〜25は、それぞれ対応する光チャンネル17,19と同じ半径位置にありつつ、ミラー部20上の方位角位置が異なって配置される。したがって、ミラー部20が回転すれば、それぞれのミラー21〜25は、対応する光チャンネル17,19から出射された光をそれぞれ光検出器18に順次に反射させることができる。
このとき、試料から放出された光をフィルタホイール12に入射させるための複数の光チャンネル17a〜17dとそれぞれ対応するミラー21〜24は、複数のカラーフィルタ領域ごとに反復して設置される。例えば、図6に示したように、第1カラーフィルタ12aの領域内に光チャンネル17a〜17dと対応する第1ミラーセット21a〜24aが設置されており、第2カラーフィルタ12bの領域内にも前記光チャンネル17a〜17dと対応する第2ミラーセット21b〜24bが設置されている。同様に、第3カラーフィルタ12cの領域及び第4カラーフィルタ12dの領域内にも、それぞれ光チャンネル17a〜17dと対応する第3ミラーセット21c〜24c及び第4ミラーセット21d〜24dが設置される。すなわち、一つのミラー部20内で、一つの光チャンネルに対応するミラーの数は、フィルタホイール12内のカラーフィルタの数と同じである。一方、フィルタホイール12の1回転を知らせるためのマーク光を入射させる光チャンネル19と対応するミラー25は、ミラー部20内で一つだけ存在している。
このような構造の光検出装置10の動作は、次の通りである。まず、スピンドルモータ15のような駆動装置によって、フィルタホイール12とミラー部20とが反時計回りに回転し始める。このとき、前記フィルタホイール12及びミラー部20の回転速度は同じである。そして、試料から放出された光が第1ないし第4光チャンネル17a〜17dを通じて前記フィルタホイール12に入射し、同時にフィルタホイール12の1回転を知らせるためのマーク光が第5光チャンネル19を通じて前記フィルタホイール12に入射する。前記フィルタホイール12及びミラー部20の回転によって、第5光チャンネル19のマーク光がミラー25によって反射されて光検出器18に入射する。マーク光を受光した光検出器18は、新たなチャンネル信号が開始されると認識する。その後、第1カラーフィルタ12aを通過した第4光チャンネル17dの光がミラー24aによって反射されて光検出器18に入射される。次いで、第1カラーフィルタ12aを通過した第3光チャンネル17cの光がミラー23aによって反射されて光検出器18に入射する。次いで、第1カラーフィルタ12aを通過した第2光チャンネル17bの光と第1光チャンネル17aの光とが、それぞれミラー22a及びミラー21aによって順次に反射されて光検出器18に入射する。前述した実施形態では、マーク光を出射する光チャンネル19が最も内側に配置されていると説明したが、他の方式で光チャンネル17,19を配置することもできる。また、フィルタホイール12とミラー部20とも時計回り方向に回転しても良い。
次いで、フィルタホイール12とミラー部20とが反時計回り方向に回転すれば、第2カラーフィルタ12bを通過した第4光チャンネル17dの光がミラー24bによって反射されて光検出器18に入射される。同様に、前記第2カラーフィルタ12bを通過した第3ないし第1光チャンネル17c〜17aの光が、それぞれミラー23b〜21bによって反射されて光検出器18に順次に入射する。このような方式で、第3カラーフィルタ12cと第4カラーフィルタ12dとを通過した光チャンネル17a〜17dの光も、それぞれミラー21c〜24cとミラー21d〜24dとによって順次に反射されて光検出器18に入射する。
フィルタホイール12とミラー部20とが1回転すれば、再び第5光チャンネル19のマーク光がミラー25によって反射されて光検出器18に入射する。これにより、マーク光を受光した光検出器18は、新たなチャンネル信号が開始されると認識する。同時に、光チャンネル17a〜17dも、他の試料から放出された光をフィルタホイール12に入射させる。そして、前述した動作を反復する。
以上の説明を通じて分かるように、本発明による光検出装置10は、ただ一つの光検出器18のみを使用しつつ、多チャンネルの試料を高速で色々な波長に対して測定できる。また、本発明による光検出装置10は、構造が非常に単純であるため、装置を小型化することができる。例えば、図3に例示されたような光検出器で全体半径を約25mmほどに構成できる。以上の説明では、4つの光チャンネルを使用している場合について説明しているが、これは例示的なものであり、それ以上の光チャンネルを使用することも可能である。その場合、ミラー部20のミラーの数も共に増加させねばならない。
一方、図7は、本発明による光検出装置10を採用した多チャンネル試料分析器を示す図である。図7に示したように、本発明による多チャンネル試料分析器30は、複数の試料50にそれぞれ光を照射するための光源部41、複数の試料41から放出された光を検出するための光検出部10及び前記複数の試料50から放出された光を受光して前記光検出部10に伝達するための光伝送部(受光部60、光ファイバ61)を備える。また、前記多チャンネル試料分析器30は、複数の試料50を固定するための試料ホルダー43を含む。
光源部41は、従来の技術で既に説明したように、色々な方式で構成できる。例えば、光源部41は、複数の光源を備え、複数の試料50に個別的に光を照射することもできる。また、大面積の光を複数の試料50に一度に照射することもあり、試料50または光を回転させつつ、高速で試料50をスキャニングすることもある。試料50は、例えば、反応波長が異なる色々な蛍光染料で染色される。光が照射されれば、それぞれの蛍光物質で異なる波長及び強度の光が放出される。このように放出された光は、例えば、二色ミラー42によって反射されて受光部60によって受光される。ここで、受光部60は、例えば、光ファイバアダプタでもありうる。受光部60によって受光された光は、光ファイバ61を通じて光検出装置10の光チャンネル17に伝達される。その後、前述したように、フィルタホイール12とミラー部20とを回転させつつ、試料50から放出された光の波長及び強度を測定して試料50を分析する。
図7では、受光部60と光ファイバ61とを利用して、試料50から放出された光を光検出装置10に伝達する構成を示したが、試料50から放出された光が直接光チャンネル17に入射するように構成することもある。その場合、光チャンネル17は、例えば、単に光を収斂させるための屈折レンズで構成される。
以上、本発明による光検出装置を利用した多チャンネル蛍光分析装置について説明した。しかし、本発明による光検出装置は、蛍光分析装置だけでなく、色々な形態の多チャンネル分析装置のための光検出部として利用されることが十分に可能である。
本発明は、試料分析に関連した技術分野に適用可能である。
一般的な蛍光分析装置の原理を説明するための図面である。 フィルタホイールを使用する従来の多重カラー測定のための光検出装置を示す図面である。 本発明による光検出装置を概略的に示す斜視図である。 本発明による光検出装置を概略的に示す断面図である。 本発明による光検出装置の原理を説明するための図面である。 本発明による光検出装置を概略的に示す平面図である。 本発明による光検出装置を採用した多チャンネル試料分析器を例示的に示す図面である。
符号の説明
10…光検出装置、
12…フィルタホイール、
12a,12b,12c,12d…カラーフィルタ、
17(17a,17b,17c,17d),19…光チャンネル、
18…光検出器、
20…ミラー部。

Claims (19)

  1. 光検出器と、
    少なくとも二つのカラーフィルタがディスク状に互いに結合されたフィルタホイールと、
    複数の光を前記フィルタホイールに入射させるための複数の光チャンネルと、
    前記フィルタホイールを通過した複数の光をそれぞれ前記光検出器に順次に反射させるための複数のミラーが装着されたミラー部と、を備え、
    前記ミラー部は、前記フィルタホイールと共に回転することを特徴とする多チャンネル多重カラー測定のための光検出装置。
  2. 前記複数の光チャンネルは、前記フィルタホイールの回転中心と光検出器とを連結する線上で、フィルタホイールの直径方向に沿って前記フィルタホイールの上方にそれぞれ一列に配置されることを特徴とする請求項1に記載の多チャンネル多重カラー測定のための光検出装置。
  3. 前記光チャンネルの高さは、前記光検出器から遠くなるほど低くなることを特徴とする請求項2に記載の多チャンネル多重カラー測定のための光検出装置。
  4. 前記複数の光チャンネルのうち一部は、試料から放出された光を前記フィルタホイールに入射させるためのものであり、前記複数の光チャンネルのうち一つは、前記フィルタホイールの1回転を知らせるためのマーク光を放出することを特徴とする請求項2に記載の多チャンネル多重カラー測定のための光検出装置。
  5. 前記ミラー部に装着された複数のミラーは、前記光チャンネルから出射された光を前記光検出器に反射させるために、前記複数の光チャンネルのうち何れか一つとそれぞれ対応し、それぞれ対応する光チャンネルと同じ半径位置に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の多チャンネル多重カラー測定のための光検出装置。
  6. 前記ミラー部に装着された複数のミラーは、ミラー部上の方位角の位置が異なって配置されることによって、ミラー部の回転時、前記複数の光チャンネルから出射された光を一つずつ順次に光検出器に向かって反射させることを特徴とする請求項5に記載の多チャンネル多重カラー測定のための光検出装置。
  7. 前記ミラー部に装着された複数のミラーは、所定の方位角方向に沿って行きつつ順次にミラー部の内側に設置されることを特徴とする請求項6に記載の多チャンネル多重カラー測定のための光検出装置。
  8. 前記複数の光チャンネルとそれぞれ対応する複数のミラーは、前記少なくとも二つのカラーフィルタと対向するミラー部の領域ごとに反復して設置されることを特徴とする請求項6に記載の多チャンネル多重カラー測定のための光検出装置。
  9. 前記複数の光チャンネルのうち一つは、前記フィルタホイールの1回転を知らせるためのマーク光を放出するものであり、前記マーク光を放出する光チャンネルに対応するミラーは、ミラー部に一つしか設置されていないことを特徴とする請求項8に記載の多チャンネル多重カラー測定のための光検出装置。
  10. 前記フィルタホイール及びミラー部を回転させるための駆動装置をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の多チャンネル多重カラー測定のための光検出装置。
  11. 複数の試料にそれぞれ光を照射するための光源部、複数の試料から放出された光を検出するための光検出部及び前記複数の試料から放出された光を受光して前記光検出部に伝達するための光伝送部を備える多チャンネル試料分析器であって、
    前記光検出部は、
    光検出器と、
    少なくとも二つのカラーフィルタがディスク状に互いに結合されたフィルタホイールと、
    前記光伝送部から伝送された複数の光を前記フィルタホイールに入射させるための複数の光チャンネルと、
    前記フィルタホイールを通過した複数の光をそれぞれ前記光検出器に順次に反射させるための複数のミラー部と、を備え、
    前記複数のミラー部は、前記フィルタホイールと共に同じ速度で回転することを特徴とする多チャンネル試料分析器。
  12. 前記光伝送部は、試料から放出された光を受光する受光部及び受光部から受光された光を前記光検出部に伝達するための光ファイバを含むことを特徴とする請求項11に記載の多チャンネル試料分析器。
  13. 前記多チャンネル試料分析器は、前記光源部から放出された光を試料に進め、試料から放出された光を前記光伝送部に進める二色ミラーと、前記複数の試料を固定するための試料ホルダーと、前記フィルタホイール及びミラー部を回転させるための駆動装置と、をさらに備えることを特徴とする請求項11に記載の多チャンネル試料分析器。
  14. 前記複数の光チャンネルは、前記フィルタホイールの回転中心と光検出器とを連結する線上で、フィルタホイールの直径方向に沿って前記フィルタホイールの上方にそれぞれ一列に配置されることを特徴とする請求項11に記載の多チャンネル試料分析器。
  15. 前記光チャンネルの高さは、前記光検出器から遠くなるほど低くなることを特徴とする請求項14に記載の多チャンネル試料分析器。
  16. 前記ミラー部に装着された複数のミラーは、前記光チャンネルから出射された光を前記光検出器に反射させるために前記複数の光チャンネルのうち何れか一つとそれぞれ対応し、それぞれ対応する光チャンネルと同じ半径位置に配置されていることを特徴とする請求項11に記載の多チャンネル試料分析器。
  17. 前記ミラー部に装着された複数のミラーは、ミラー部上の方位角位置が異なって配置されることによって、ミラー部の回転時、前記複数の光チャンネルから出射された光を一つずつ順次に光検出器に向かって反射させることを特徴とする請求項16に記載の多チャンネル試料分析器。
  18. 前記複数の光チャンネルとそれぞれ対応する複数のミラーは、前記少なくとも二つのカラーフィルタと対向するミラー部の領域ごとに反復して設置されることを特徴とする請求項17に記載の多チャンネル試料分析器。
  19. 前記複数の光チャンネルのうち一つは、前記フィルタホイールの1回転を知らせるためのマーク光を放出するものであり、前記マーク光を放出する光チャンネルに対応するミラーは、ミラー部に一つしか設置されていないことを特徴とする請求項18に記載の多チャンネル試料分析器。
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