JP4141512B2 - サンプルを分析するための可動走査ヘッドを含む光スキャナ - Google Patents

Description

【０００１】
【技術分野】
この発明は、目標サンプルを誘導し、かつ目標からの復帰信号の放射を読取るための可動ヘッドの光スキャナに関する。
【０００２】
【背景技術】
目標サンプルを誘導し、かつ結果としてサンプルから現われる信号放射を検出するための光スキャナは多くの実験的な形式において用いられている。可動走査ヘッドを有する光スキャナは視野の大きさが可変である場合に特に役立つ。しかしながら、可動走査ヘッドを備えたものを含む多くの既存のスキャナは、構成要素が多く、かつ光学アセンブリの質量が高いために、走査速度に関して制限されている。多くのサンプルを短期間に走査するために解像度を損なわずに走査速度を増すことが望ましい。
【０００３】
広範な走査形式が多くの研究および診断のアプリケーションに必要である。たとえば、現われつつある形式には、蛍光ラベルを含む大きいゲルの走査と微小なサンプルを支える小型のチップまたは膜の走査とが含まれる。走査形式に関して所望される可変性に加えて、光学分析の型に関する融通性が極めて重要である。蓄積リン発光、蛍光、反射光、および透過光に基づいたサンプルの分析が恐らく必要である。空間および費用面を検討すると、これらのうちの１つ以上の様式で分析する器具を用いることが必要となる。
【０００４】
これらのさまざまな光学走査様式が、独特の波長の励起光または誘導光と、さまざまな型の復帰信号を目標サンプルから分離できる収集および検出のための光学器具とを必要とするので、多くの走査様式を１つの光スキャナへ併合することは過去において困難であった。多数の同時入射波長を与え、その後、同時に起こるサンプル発光をデスキャンかつ検出すると、一般に、器具が複雑かつ高価になり、分析が困難になる。たとえば、エイモス（Amos）への米国特許第５，３０４，８１０号を参照されたい。
【０００５】
したがって、この発明の目的は、多数の走査様式のうちのいずれに従っても目標サンプルを急速に走査するために、小型の融通のきく光スキャナを簡単、軽量、かつ低コストの設計で提供することである。
【０００６】
【発明の開示】
上の目的は、多数の走査様式を有する小型の可動走査ヘッドで達成されている。走査ヘッドは狭い空間の中で２つ以上の光学システムを支える。光学システムは一致してもしなくてもよく、各々が特定の誘導および検出様式に合わせて設計される。起こり得る様式には、蓄積リン発光、化学蛍光を含む蛍光、反射、および透過の誘導および検出が含まれる。１つの光学システムがレーザダイオードまたは他の小型の軽量レーザ装置光源を含んでもよく、蓄積リン発光のための第１のチャネルと蛍光のための第２のチャネルとを有してもよい。別個の光学システムが、発光ダイオード（ＬＥＤ）光源と、第２のチャネルとは異なった波長で誘導されたサンプルによる反射信号または蛍光発光のための第３のチャネルとを有してもよい。さまざまな特性を備えた光源の多数の組合せが用いられ得る。
【０００７】
ここで用いられるように、「レーザダイオード」は他の小型で軽量のレーザ装置を含む。「遠隔的に位置決めされる」という用語は素子が走査ヘッド上に位置していないことを意味する。用語「波長」は特にサンプル発光に関した波長帯を示し得る。用語「発光」はサンプルからのリン信号、蛍光信号、反射信号および透過信号を含む。
【０００８】
典型的に、走査ヘッドの第１の側はサンプルを第１の波長で誘導するためのレーザダイオード光源を支える。誘導波長よりも低い波長および高い波長の両方でサンプルから発光された光が集められ得る。これが可能なのは、レーザダイオード波長を通し、かつこの波長よりも下および上の光を検出のための光学器具の方へ反射する、干渉型のスペクトルビームスプリッタによってである。たとえば、赤いレーザダイオードはほぼ６３５ｎｍの励起波長を与える。この誘導から生じる蓄積リン発光は一般に３９０ｎｍであり、蛍光発光は一般に６５０ｎｍ以上である。したがって、１つまたは複数のサンプルからの、これら２つの型の信号がビームスプリッタによって反射される。関心のある信号を分離するために必要なフィルタを与える調節可能なフィルタ切替器アセンブリが、走査ヘッドのこの第１の側の検出経路において用いられ得る。一般に、少なくとも１つのフィルタが誘導波長よりも低い波長の光を通すために与えられ、少なくとも１つのフィルタが誘導波長よりも高い波長の光を通すために与えられる。走査ヘッド上に直接装着されるか、または遠隔の位置に装着され、光ファイバを経て走査ヘッドに接続される検出器がフィルタ処理された信号を集めるために用いられる。
【０００９】
走査ヘッドの第２の側は、共通の譲受人に譲渡され、引用により援用される米国特許出願連続番号第０８／４３８，４１６号に開示されるようなＬＥＤ点走査システムを支える。走査ヘッドのこの第２の側のＬＥＤ光源は、この発明の小型の走査ヘッドの第１の側が与えるのとは異なった誘導波長をもたらす。この第２の波長で、目標サンプルの蛍光および反射分析が行なわれ得る。ＬＥＤ点走査は好ましくは、ピンホール開口を備えた空間フィルタ、または光ファイバを誘導光路において用いることによって達成される。誘導ビームはピンホールまたはファイバへ焦点合わせされる。誘導ビームの直径をこのように制限すると点光源が明らかになり、急速で解像度の高い走査がもたらされる。
【００１０】
支持壁は好ましくは走査ヘッドの第１の側を第２の側から分離し、さまざまな素子に物理的な支持を与える。したがって、２つの側は光学素子を共有しない。しかしながら、第１の側の内部で、多くの光学素子が蓄積リン発光様式および蛍光様式の両方、すなわち第１および第２のデータチャネルに共通である。たとえば、レーザダイオード光源およびビームスプリッタは両方の様式に共通である。走査ヘッドの第２の側の第３のデータチャネルは、走査ヘッドの第１の側の第１および第２のデータチャネルから物理的および光学的に分離している。
【００１１】
３つのデータチャネルが特に有利であるが、この発明の小型の可動走査ヘッドが上のチャネルのうちのどの２つを含んでもよい。さらに、さらなる誘導ビームを与えるさらなるチャネルが走査ヘッドへ組み入れられてもよい。
【００１２】
さまざまな素子を小型の走査ヘッドへ組み入れ、光学システム内の走査機構を移動させるのとは異なって走査ヘッドを移動させることによって、軽量かつ高速で極めて融通のきく走査システムが達成される。この発明は、特に膜、電気泳動ゲル、およびマイクロタイターサンプルプレート内の蓄積リンスクリーンおよびサンプルを分析するために用いられ得る。
【００１３】
【この発明を実行するためのベストモード】
図１を参照すると、第１の波長λ_st1 のビームを与えるレーザダイオード１４が示される。この励起または誘導ビームは好ましくはコリメートレンズ１６を通過させられ、ビームスプリッタ１８を次に通過する。ビームスプリッタ１８を通過した後で、波長λ_st1 の誘導ビームは対物レンズ２２を通過し、サンプル２０のスポットへ焦点合わせされて信号放射をサンプルから復帰させる。サンプル２０から発光された信号放射は、高い開口数を有する対物レンズ２２によって発光ビームへ集められ、ビームスプリッタ１８の方へ逆に導かれる。
【００１４】
ビームスプリッタ１８は、特定の波長、たとえばレーザダイオード波長λ_st1 の光を通し、かつλ_st1 よりも低いかまたは高い波長の光を反射するように設計された、干渉型のスペクトルビームスプリッタである。上述のように、「波長」は波長帯を含む。なぜなら、あるアプリケーションに典型的な発光は、個々の波長としてよりもある範囲にわたって起こるからである。図１では、サンプルによって発光される光または信号放射を表わすビームはλ_emの波長を有し、ビームスプリッタ１８によって検出経路の方へ反射される。
【００１５】
波長λ_emが恐らく誘導波長λ_st1 よりも低いかまたは高い波長であるので、所望のサンプル発光を検出するのに分離するために、フィルタシステムは好ましくは検出経路に置かれる。フィルタ切替器アセンブリ２４は、発光を分離するのに役立つフィルタシステムの一例として図１の検出経路に示される。フィルタ切替器アセンブリ２４は３つのフィルタ２６ａ−ｃを含む。これらのフィルタのうちの少なくとも１つがλ_st1 よりも低いかまたは短い波長λ_em、特にλ_em/pのビームを分離し、これらのフィルタのうちの少なくとも１つが波長λ_st1 よりも高いかまたは長い波長λ_em、特にλ_em/fのビームを分離する。フィルタ切替器アセンブリは矢印Ａによって示されるようにシフト手段７０によって移動できる。このために、正しいフィルタが発光ビームの経路に置かれる。図３は、走査ヘッドの支持壁６０のスロット６８内で各フィルタをシフトするための手段を示す。シフトするための手段７０はモータによって駆動されるアクチュエータであってもよい。代わりに、フィルタ切替器アセンブリ２４が複数個のフィルタを他の何らかの構成で有してもよく、たとえば、フィルタが車輪上に装着され、好ましくはモータによって回転されてもよい。
【００１６】
フィルタ処理された発光は次に焦点合わせレンズ２８を通過させられ、検出器３０へ入る。検出器は図１の検出器３０によって示されるように走査ヘッド上に装着されてもよく、または、図５に示されるように遠隔的に位置決めされてもよい。後者の場合、焦点合わせレンズ２８は、遠隔的に位置決めされた検出器５６に発光ビームを透過する光ファイバ５８へ発光ビームを焦点合わせする。
【００１７】
レーザダイオードまたは他の小型のレーザ装置はどんな色および波長であってもよい。たとえば、赤外線および赤のレーザダイオードが利用できる。レーザはまた小型かつ固体の周波数重複ダイオードかまたは周波数重複ダイオードでポンピングするＹＡＧレーザであってもよい。赤いレーザダイオードを用いると、それがほぼ６３５ｎｍの波長λ_st1 を有する誘導ビームを与えるので特に役立つ。サンプルをこの波長の光で誘導すると、より高い波長、たとえば６５０ｎｍから７００ｎｍの蛍光発光が起こり得、より低い波長、たとえばほぼ３９０ｎｍで蓄積リンスクリーンからの発光が起こり得る。したがって、ビームスプリッタ１８は６３５ｎｍの光を通すが、より低い数およびより高い数、またはより短い波長およびより長い波長を反射する。ここで用いられている「ほぼ」という用語は所与の値の±１０％内の値を示す。
【００１８】
したがって、走査ヘッド１０の第１の側１１は、波長λ_st1 で誘導しかつ検出経路の適切なフィルタを用いて発光を検出することによって蓄積リンスクリーンを読取可能な第１のデータチャネルと、波長λ_st1 で誘導しかつ検出経路の適切なフィルタを用いて発光を検出することによって蛍光発光を読取可能な第２のデータチャネルとを示す。第１のチャネルは、λ_em/p＜λ_st1 である場合に波長λ_em/pの発光を検出する。第２のチャネルは、λ_em/f＞λ_st1 である場合に波長λ_em/fの発光を検出する。レーザダイオード誘導から生じる透過信号および反射信号の収集および検出はまた、図７に示される透過収集および検出装置７８によってか、または他の周知の検出経路を介して達成できる。
【００１９】
小型の走査ヘッド１０は、直角をなす軸を表わす矢印ＸおよびＹによって示されるような２つの次元にサンプルを横切って移動できる。代わりに、走査ヘッド１０がサンプル２０に対して第１の方向に移動され、サンプルが電動化された台などによって直角をなす方向に移動されてもよく、または走査が他の何らかの走査パターンに従って起こってもよい。走査ヘッドは、ベルトおよび滑車を備えたレール、親ねじ、または他の作動手段に沿って摺動されることによって移動してもよい。図４は走査ヘッドを移動させるための手段７６を示す。走査は好ましくは点ごとに撮像する態様で達成され、ここでサンプルにおける複数個のスポットが誘導と結果として生じる発光の検出とを順次受ける。
【００２０】
図２は、この発明の走査ヘッド１０の第２の側１２を示す。第２の側は、共通の譲受人に譲渡された米国特許出願連続番号第０８／４３８，４１６号に開示されるようなＬＥＤ点走査システムを支える。図２に示されるように、ＬＥＤ３２は、焦点合わせレンズ３４によって空間フィルタ３６のピンホール開口３８へ焦点合わせされる第２の波長λ_st2 の誘導ビームを与える。これは誘導ビームの直径を効果的に制限し、誘導するのに必要な解像度を規定する。したがって、波長λ_st2 の誘導ビームは点光源として機能する。これは、ＬＥＤがインコヒーレント光源であり、この性質の制限が高い解像度の走査をもたらすので重要な利点である。代わりに、光ファイバが誘導ビームの必要な制限を与えてもよい。
【００２１】
図７はこれに代わる実施例を示し、ここで光ファイバ６６が空間フィルタ３６にとって代わり、焦点合わせレンズ３４が波長λ_st2 の誘導ビームを光ファイバ６６へ焦点合わせする。レンズ３４および４２の焦点はまたファイバ６６を介在させて間隔を開けられている。図７はまた、透過光の収集器および検出器７８を示す。わかりやすくするために図７の実施例において示されているが、この透過システム７８は走査ヘッドのどちらの側でどんな光源とともに用いられてもよい。
【００２２】
制限された誘導ビームはコリメートレンズ４２によって集められ、フィルタ４４を通過させられ、次にサンプルへと導かれる。図２は、誘導ビームを反射し、かつそれをサンプル２０のスポットへ焦点合わせする対物レンズ４０の方へ導くビームスプリッタ４６を示す。サンプルから発光されるかまたは戻った光、たとえば蛍光または反射信号放射は次に対物レンズ４０によって集められ、ビームスプリッタ４６を通過して、この第３のデータチャネルの検出経路の方へ導かれる。蛍光または反射発光に適切なビームスプリッタが用いられ得る。サンプルから戻った発光は図２のミラー４８によって反射され、第２のフィルタ５２を介して導かれ、次に第２の焦点合わせレンズ５４を介して導かれる。焦点合わせレンズ５４はビームを検出器５０へ焦点合わせする。図１におけるように、検出器は走査ヘッド１０上に装着されるか、または遠隔的に位置決めされて光ファイバを経て走査ヘッドに接続されてもよい。図６は、この検出器の位置についての代替例を示し、位置決めレンズ５４は、走査ヘッドから離れた検出器６２に透過するために光ファイバ６４へ、戻った発光を焦点合わせする。
【００２３】
米国特許出願連続番号第０８／４３８，４１６号に開示されるように、ＬＥＤ点走査システムの他の変形例がこの発明の小型の走査ヘッドの第２の側に可能である。ＬＥＤはレーザダイオードに代わる安価な代替例を与え、ある特定の波長に特に役立つ。たとえば、ほぼ４５０ｎｍを中心とする波長の誘導ビームを与える青いＬＥＤは、化学蛍光のアプリケーションのためにサンプルを誘導するのに用いられると有利であろう。緑、黄、オレンジ、赤のＬＥＤおよび赤外線ＬＥＤも利用できる。
【００２４】
図３および図４は走査ヘッドの２つの側が斜視的に記述されたものを図示する。図３および図４は、走査ヘッド１０内の好ましい支持物であり、かつあらゆる構成の光学素子が装着される支持物となる支持壁６０を示す。
【００２５】
この発明の小型の走査ヘッドは、一致してもしなくてもよい多数の走査様式を含む。たとえば、図３および図４では、２つの対物レンズ２２および４０が認識できる。対物レンズ２２は走査ヘッドの第１の側１１におけるレーザダイオード光学システムの一部であり、対物レンズ４０は走査ヘッドの第２の側１２におけるＬＥＤ点走査システムの一部である。支持壁６０は走査ヘッドの２つの側のあらゆる光学素子を完全に分離し、したがって、レーザダイオードおよびＬＥＤ光学システムは分離している。しかしながら、第１の側１１の第１および第２のデータチャネルは数ある光学素子の中でレーザダイオード、コリメートレンズ、ビームスプリッタ、および検出器を共有し、このために、これらの様式は少なくとも部分的に一致している。サンプルは、いずれかの側、したがっていずれかの光学構成による走査、または走査ヘッドの３つのチャネルのうちのいずれかに従う走査が可能であるように走査ヘッドに対して装着できる。これが容易にされるのは、可動走査ヘッドとサンプルに対する好ましいその２次元的な並進運動とによってである。
【００２６】
図８は、多数の誘導ビームを備えた走査ヘッドの代替的な実施例である。走査ヘッドの第１の側１１では、第２のレーザダイオード１５が示される。レーザダイオード１５は、走査ヘッドの第１の側の誘導光路にビームスプリッタ１７を経て含まれ得る誘導ビームを与える。この第２のソースは第１のソースとは異なった誘導波長を与え得る。代わりに、第２のソースは第１のソースとは異なった光特性を与えてもよい。たとえば、２つのソースがパルス化された連続的な波動ビーム、または、偏光ビームおよび付偏光ビームを与えてもよい。このように、複数個の光源が走査ヘッドの第１の側で用いられ得る。誘導は好ましくは順次起こる。走査ヘッドの第２の側もまた２つ以上の光源を有してもよい。たとえば、関連のビーム制限手段を備えた第２のＬＥＤが走査ヘッドの第２の側の光路へ挿入されてもよい。第２の側のこれらの多数のソースもまた、独特の波長または他の特性を与え得る。一般に、走査ヘッドの両側にあるさまざまなチャネルは、誘導のために単に異なった波長を利用するのではなく、異なった光特性のビームを利用できる。
【００２７】
図９を参照すると、光ファイバ６７による光ファイバの引渡しが遠隔的に位置決めされたＬＥＤ３３から走査ヘッドへと示される。ＬＥＤ３３は、レンズ３５によってファイバ６７へ焦点合わせされる誘導ビームを与える。この例では、ファイバ６７は引渡し手段および制限手段の両方となる。制限されたビームはこれまでどおりレンズ４２によって受取られ、サンプルの方へ導かれる。第１の側のレーザダイオード誘導ビームはまた、遠隔的に位置決めされたソースから走査ヘッドへと光ファイバを用いて引渡され得る。
【００２８】
図１−２に示されるオン・ヘッド検出器３０および５０と図５−６に示されるオフ・ヘッド検出器５６および６２とがレーザダイオードおよびＬＥＤ光学システムについて示され、かつ説明されたが、組合わされた検出器もさまざまなチャネルおよびシステムに合わせて用いられ得る。単一の検出器が恐らく特に都合が良いのは、遠隔的に位置決めされ、走査ヘッド１０内の適切な位置に光ファイバによって接続される場合である。アレイ型の検出器もまたさまざまなチャネルのために用いられ得る。さらに、空間フィルタがレーザダイオードまたはＬＥＤ光学システムの検出経路に加えられ、検出器に達する信号を制限し、ある場合では焦点を共有するシステムを作り出してもよい。
【００２９】
図１０の３つのチャネル８１、８２、および８３の各々は、チャネル内の発光に関するデータを与える。これらのデータは、コンピュータのようなデータ分析または処理手段７２によってさまざまな検出器から集められ、多チャネルデータ表示装置７４などに表示されるか、または将来の分析に備えてメモリにセーブされる。ビデオモニタまたは他の表示装置が３つのチャネルのいずれかまたはすべてからのデータを表示してもよい。多チャネル表示装置はこの技術において既知である。データ分析手段は、サンプル上でチャネルを順次動作するか、またはサンプルの性質に従って適切なチャネルの動作を指図するようにプログラムされ得る。たとえば、蓄積リンスクリーンまたはマイクロタイタープレートの特定の寸法が第１または第３のデータチャネル誘導と発光の検出とを引き起こしてもよく、サンプルホルダの台への適合が適切なチャネルをトリガする。２つ以上のチャネルに従ってサンプルを同時に読取ることも起こり得る。
【００３０】
走査ヘッドが小型であるために高速の走査がもたらされ、その光学システムは高い解像度で走査する。さらに、この発明の走査ヘッドはサンプル形式と光学分析の型とに関して融通性を与え、したがって、研究室の運営コストを削減することに寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】レーザダイオード光源を備えた、この発明の走査ヘッドの第１の側を示す平面図である。
【図２】ＬＥＤ光源を備えた、この発明の走査ヘッドの第２の側を示す平面図である。
【図３】図１の光学素子と走査ヘッドの支持壁とを示す斜視図である。
【図４】図２の光学素子と走査ヘッドの支持壁の第２の側とを示す斜視図である。
【図５】走査ヘッドの第１の側で検出器の配置の代替的な実施例を示す、図１の一部の平面図である。
【図６】走査ヘッドの第２の側で検出器の配置の代替的な実施例を示す、図２の一部の平面図である。
【図７】走査ヘッドの第２の側の誘導ビーム制限の代替的な実施例を示す平面図である。
【図８】走査ヘッドの単一の側で多数の誘導ビームを示す、走査ヘッドの代替的な実施例の平面図の一部を示す図である。
【図９】遠隔的に位置決めされた光源から走査ヘッドへの誘導ビームの光ファイバ引渡しを示す、走査ヘッドの代替的な実施例の平面図である。
【図１０】この発明の走査ヘッドで用いるためのデータ収集および表示装置の平面図である。
【符号の説明】
１０ 走査ヘッド
１８ ビームスプリッタ
２０ サンプル
２４ フィルタ切替器アセンブリ

Claims (7)

1. サンプルを分析するための可動走査ヘッドを含む光スキャナであって、前記走査ヘッドは、
   第１の側のチャネル手段を支持壁の一方上に含み、前記第１の側のチャネル手段は、第１の光源、第１の検出器、および複数のフィルタを有するフィルタ切替器アセンブリを含み、前記複数のフィルタの少なくとも１つは、前記第１の光源からの第１の光学特性を有する放射でサンプルを誘導し、かつ結果として生じる第１の型の発光をサンプルから前記第１の検出器によって検出するため、所定の波長のビームを分離するように構成され、
   前記所定の波長は発光波長よりも短く、前記複数のフィルタの少なくとも１つは発光波長よりも長い波長を分離するように構成され、
   前記複数のフィルタは、スロット内を移動するように構成され、前記走査ヘッドは、さらに、
   第２の側のチャネル手段を支持壁の他方上に含み、前記第２の側のチャネル手段は、第２の１または２以上の光源、第２の検出器、およびビーム直径制限手段を含み、前記ビーム直径制限手段は、前記第２の光源からの第２の光学特性を有する放射でサンプルを誘導し、かつ結果として生じる第２の型の発光をサンプルから前記第２の検出器によって検出するため、当該第２の波長誘導ビームの直径を点光源に制限するように構成されている、光スキャナ。
2. 前記複数のフィルタの他の少なくとも１つは、前記第１の光源からの第３の光学特性を有する放射でサンプルを誘導し、かつ結果として生じる第３の型の発光をサンプルから前記第１の検出器によって検出するように構成されている、請求項１に記載の光スキャナ。
3. 前記ビーム直径制限手段は、ピンホール開口を有する空間フィルタと、第２の波長誘導ビームをピンホール開口へ焦点合わせして、サンプルを誘導するために点光源に前記第２の光源からの第２の波長誘導ビームの直径を制限するための手段とを含む、請求項１に記載の光スキャナ。
4. 前記ビーム直径制限手段は、光ファイバと、第２の波長誘導ビームを光ファイバへ焦点合わせして、サンプルを誘導するために点光源に前記第２の光源からの第２の波長誘導ビームの直径を制限するための手段とを含む、請求項１に記載の光スキャナ。
5. 発光に関する情報をサンプルから集めるための分析手段と、前記分析手段とデータを通信して、前記情報を表示するための手段とをさらに含む、請求項１、２、３または４に記載の光スキャナ。
6. 前記第１の光学特性および前記第３の光学特性は、第１の波長に対応し、前記第１の側のチャネル手段はさらに、前記第１の波長を通過させ、かつ第１の波長よりも波長が低いか高いサンプルから受けた発光を反射するためのビームスプリッタを含む、請求項２に記載の光スキャナ。
7. 前記結果として生じる第１の型の発光は蓄積リン発光であり、前記結果として生じる第３の型の発光は蛍光発光である、請求項２に記載の光スキャナ。

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