JP4227730B2 - 光学的アレイシステムおよびマイクロタイタープレート用読み取り器 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明はマイクロタイタープレートまたは物質チップのための読み取り器に関するものである。
【０００２】
分子医学的診断におけるような作用物質の医薬開発では、かなりの数量の極めて小さなサンプルの蛍光検査、発光検査、および吸収検査が必要である。この場合、測定時のサンプルスループットが高いことが最も重要である。
特に要求されるのは動的測定で、その時定数は高いスループットを得るうえで障害となる。
【０００３】
サンプルを準備するため、小型サンプル容器を格子状に配置したマイクロタイタープレートが使用される。標準的な構成ではマイクロタイタープレートはたとえば９６個のサンプル容器、或いはその複数倍の、たとえば３８４個または１５３６個のサンプル容器を備えている（マルチウェルマイクロプレート）。或いは、いわゆる物質チップもサンプルキャリアとして使用されている。
【０００４】
この種の読み取り器は、たとえば米国のMolecular Devices Corp.社によりSPECTRAmax(R)PLUSなる商品名で提供されている。光源とモノクロメータは、８つの光誘導ファイバーを介して、それぞれ１つのサンプル容器を透過照明するための８個のミラー光学系に接続され、且つ８個の測定用光検出器と接続されている。すなわち８重の並列測定が可能である。
【０００５】
ＷＯ９５／０１５５９には、多数の小さなサンプル容積部を持ったアレイ形のサンプルキャリアが記載されている。このサンプルキャリアは、光学測定のために、各サンプル容積部用の１個または２個のマイクロレンズをも有している。これらのマイクロレンズにより、個々のサンプル容積部から放射された光をＣＣＤセンサ上に投射しようとするものである。しかしながら、サンプルキャリアのサイズをＣＣＤセンサのサイズに適合させるのかどうか、或いはどのようにして適合させるかについては未解決のままである。
【０００６】
ＷＯ９７／３４１７１からは、マイクロリソグラフィーおよび／または共焦点顕微鏡用の走査システムが知られている。この走査システムは、サンプル側またはフォトマスク側にマイクロレンズアレイを有し、且つマイクロレンズアレイと検出器アレイまたはウェーハーの間に望遠鏡システムを有している。この公報には、マイクロレンズアレイのグリッドピッチをサンプルアレイのグリッドピッチに特別に適合させる点については開示されていない。
【０００７】
本発明の課題は、大規模並列測定を可能にさせ、したがって動的測定時においてもサンプルスループットをかなりの程度向上させうるような、マイクロタイタープレートまたは物質チップのための読み取り器を提供することである。この場合、高効率の光路と、コンパクトで、できるだけ簡潔な構成とが達成されるべきである。もちろん、高測定感度が保証されるべきである。
【０００８】
この課題を請求項１に記載の光学システムで解決する。この光学システムは、たとえばＣＣＤアレイとして使用される検出器アレイを検出するために設けられる。全横断面にわたって従来のレンズを備えた従来の光学系がレンズアレイと組み合わされる。これにより、検出された対象物領域全体（マイクロタイタープレート）がＣＣＤアレイ上に正確な寸法で結像されるとともに、マイクロタイタープレートの個々の凹部の領域がＣＣＤアレイ上に（２つの異なるスケールで）適宜結像され、しかも個々の異なる凹部間で厳格にチャネル分割が行なわれる。
【０００９】
この場合、従属項に記載した構成を付加するのが有利である。これによれば、望遠鏡（横断面全体で１個のレンズ）と、検出器アレイの前方に位置するマイクロレンズアレイとが設けられ、反射照明装置が組み込まれる。反射照明装置は、光学要素を兼用することにより低コストで特に優れた効率を生じさせ、検出光路によっても検出されるサンプル容積部を正確に照明することにより、ノイズを特に低減させる。
アパーチャアレイを用いれば、障害をさらに低減させることができる。
【００１０】
本発明を、図面を用いて詳細に説明する。
図１は，原理を外観的に示すことができるように，すべのアレイエレメントのうち３個の標本だけを図示したものである。実際の実施形態では，慣用的なマイクロタイタープレートに適合した８×１２＝９６個のエレメント（ピクセル）が設けられる。
【００１１】
対象物アレイ１１,１２,１３は，凹部（波形部）とそのなかに保管されているサンプル１１０，１２０，１３０とを備えたマイクロタイタープレート１により形成される。同じグリッドピッチを有しているミニレンズアレイ２１,２２,２３は通常の小型レンズで組み立てられ、焦点距離はｆ＝７．５，開口数はほぼ０．６で，サンプル１１０，１２０，１３０の中央領域１１,１２,１３から光を効率的に集める。３８０ｍｍの間隔で位置する中間像面内には，個々のアレイエレメント間のクロストークを阻止するアパーチャプレート３が配置されている。
【００１２】
レンズ４１と４２からなる次の望遠鏡は，ＣＣＤアレイのサイズに適合するように１３０ｍｍの光束径を１５ｍｍに縮小する。その間に配置されているフィールドレンズ５は，中間像を結像させ，よって対象アレイ１１,１２,１３をＣＣＤアレイ６のエレメントに結像させる役を果たしている。
【００１３】
「集合」光学系４１,５,４２の径はマイクロタイタープレート１のサイズまたは対象アレイ１１,１２,１３のサイズだけで決定されている。これに対して，同じ開口数０．６の通常のＣＣＤカメラはさらに大きなレンズを有していなければならない。これは、本発明による光学システムの開口数がミニレンズグリッドのエレメント２１,２２,２３によって決定されることにより可能になる。
【００１４】
上記配置構成において最も重要なことは，各サンプル１１０，１２０，１３０のクロストークがなく，ＣＣＤアレイ上でのイメージゾーンに正確に対応していることである。
【００１５】
蛍光測定法または吸収測定法に対しては，たとえば図２に関し詳細に説明するような照明装置を補完的に設ける必要がある。
【００１６】
発光測定法に対しては図１の配置構成がそのままで適しているが，検出されるサンプル容積部を増やすにはレンズアレイ２１,２２,２３の焦点距離はほぼ１０倍あるのが有利である。
【００１７】
図２の装置は蛍光読み取り器として構成されている。まずこの装置は図１と同じ構成要素を有しており，すなわち波形部１１ｉを備えたマイクロタイタープレート１と、９６個のレンズを備えたミニレンズアレイ２ｉと、大型の望遠鏡レンズ（４１）および小型の望遠鏡レンズ（４２）と、その間に配置されるフィールドレンズ５と、ＣＣＤアレイ６とを有している。異なる点は、ミニレンズアレイ２ｉがコリメート機能を持っていること、ブレッドプレートが設けられていないこと、しかしマイクロレンズアレイ７が９６個のマイクロレンズを備えたＣＣＤアレイ６の直前に配置され、９６個のマイクロレンズがマイクロ構造技術で集合的に製造され、ＣＣＤアレイ６の検出セルに像を生じさせることである。
【００１８】
この場合、ＣＣＤアレイ上のグリッドピッチは径に関しほぼ４０個の検出セルにより達成され、このグリッドピッチにおいては径に関し２０個の検出セルのほぼ１つのスポットが各サンプルエレメントにより照射される。
【００１９】
望遠鏡レンズ４２とマイクロレンズアレイ７の間には、カップリングミラー８（二色性ミラー）が配置されている。照明装置９は光伝送ファイバー９１と集光レンズ９２とを介して照明光をミラー８へ与える。照明光は前述の光学システムを介してマイクロタイタープレート１上の位置へ正確に誘導され、ＣＣＤ検出器６上に結像される。したがって、照明装置９の光は測定に最適に利用される。マイクロタイタープレート１の構造等を照射することによる障害はない。
【００２０】
照明装置は白色光源、たとえばキセノンガス放電ランプからなっていてよいが、モノクロメータと組み合わせて分光光度計を形成させてもよい。
たとえばレーザーのような線光源でもよい。
【００２１】
すべての光学装置をも含めてマイクロタイタープレート１とミニレンズアレイ２ｉとを相対運動させるための不連続スキャン装置を用いると、たとえば３８４個の波形部を持つマイクロタイタープレートを４ヶ所で順次完全に読み取ることができる。
【００２２】
照明光および蛍光光を分割するために照明光路および検出光路に設けられる通常のフィルタは、種々の波長に適合させるため、二色性ミラーとともに、交換可能な一つのモジュールとして配置されていてよく、このようにすると、蛍光システムの迅速な交換が可能になる。
【００２３】
同じ理由から、少なくとも対象物側のレンズアレイ２ｉを色消しにするのが有利である。このためには、個々のレンズの代わりに、色消し修正したレンズ群を使用する。この場合スペクトル領域としては、典型的にはほぼ３５０ないし８００ｎｍに設定する。
【００２４】
ビームスプリッター８を二色性に形成せず、マイクロタイタープレート１上方にミラーを配置すると、Molecular Dynamics社の前記装置に対応する吸収測定用の装置が簡単に得られる。もちろん反射照明を採用してもよい。
【００２５】
本発明による装置は、サンプル内で空間的に制限されている照明スポットに、空間的に制限された検出領域が重畳されるという意味では共焦点である。照明光路内の絞りはファイバー端部或いは照明領域の絞りであってよく、検出光路内の絞りは個々の照明スポット領域にあるＣＣＤピクセルを選択的に読み取ることにより生じさせるか、ＣＣＤカメラの前にアパーチャアレイを配置するか、或いはフィールドレンズの領域にフィールドスクリーンを配置することにより生じさせることができる。
【００２６】
レンズアレイ２ｉのような適当なレンズアレイを設ければ、この共焦点性により透過照明も実現することができる。
【００２７】
蛍光測定用の読み取り器として実施する場合は、開口数が０．６ないし０．７の場合、合焦径を５０ないし５００μＭ、特に１５０μＭに設定するのが有利である。
【００２８】
この合焦径は、マイクロタイタープレートが３８４個ある場合、発光測定用の読み取り器として、３ないし４ｍｍの滴径（一つの凹部の径）により一層適合する。
【００２９】
蛍光相関分光法（ＦＣＳ）は同じ光学的概念と比較することができ、したがって高スループットに対して適用すると有用になる。しかしながら優れたＳＮ比を得るには、０．１−１０μｍの合焦径でフェムトリットルの範囲で測定体積を減少させるのが有利である。しかし最小相関時間はＣＣＤアレイの積分時間および相関時間により制限されている。したがってＡＰＤアレイのような並行読み取り可能な検出器アレイがこの適用には有利である。
【００３０】
よって、種々の測定方法に容易に適合させるため、サンプル側のレンズアレイ２ｉを交換可能にしたモジュール構成の読み取り器が提案される。
【００３１】
本発明は以下のような効果を奏する。
−１０²のオーダーのチャネルを持った高チャネルが好適に可能であり、効率的な比較対照が得られる。
−ミニレンズアレイの個々のレンズ２１,２２,２３の可能なアパーチャが大きいことにより、高感度の蛍光検出が得られる。
−照明は構造化して行なわれ、高感度の蛍光検出が得られるので、低出力の光源９で十分である。
【００３２】
−測定体積（マイクロタイタープレートおよび９６チャネル光学系のための蛍光測定に典型的な測定体積；数ナノリットル）の外部からの外乱性蛍光が共焦点検出によりかなり抑制されるので、沈殿によりマイクロタイタープレートの底部に強い蛍光集中があっても、またマイクロタイタープレートの底部および壁の固有蛍光が強くても、同質サンプルの測定が可能である。
−共焦点性により、蛍光測定時の充填高さへの非依存性も生じる。
−望遠鏡によりマイクロタイタープレートの大きなサイズが縮小されるので（ＣＣＤアレイの径は約１５ｍｍ）、標準サイズ（２５ｍｍ程度の径）の蛍光フィルタおよびビームスプリッターを使用できる。
【００３３】
−隣り合うサンプル（凹部）間のクロストークは、局所的な照明と共焦点検出により原理的には小さくなり、アパーチャマスク或いはレンズアレイのレンズエレメント間のブリッジおよびこれらを同時に使用することにより、たとえばそれぞれ２つ目の凹部（たとえば３８４個のマイクロタイタープレートの場合９６チャネル検出）にだけ使用することによりさらに低減させることができる。
−データ検出は、高チャネル数の場合もＣＣＤアレイの使用により簡単である。
−読み取り器の９６個のラスターは高集中マイクロタイタープレート（たとえば３８４個，８６４個，１５３６個の凹部）およびいわゆるセルチップとＤＮＡチップにも適合しているので、様式上の融通性が与えられている。
−多チャネル構成により動的蛍光測定が特に支援される。
【００３４】
−レンズアレイ２ｉを、凹部の底部に設けられている細胞に合焦させることにより、細胞をベースにしたアレイで蛍光測定を行なうことができる。個々のスポットを、ここでは可能な限り大きなスポットを、ほぼ細胞の大きさの解像度またはそれ以上の解像度で局部的に解明して読み取ることにより、被検査物体の生物学的機能のきわめて詳細な、局部的解明分析が可能になる。このようなハイコンテントスクリーニング（ＨＣＳ）により、たとえば細胞の外部での蛍光濃度、細胞上での蛍光濃度、および細胞の内部での蛍光濃度、並びに細胞核内部での蛍光濃度を比較することが可能になる。この場合も運動性が重要である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による光学装置の第１実施形態を示す図である。
【図２】本発明による読み取り器を示す図である。

Claims (8)

1. マイクロタイタープレートまたは物質チップのグリッドピッチに対応するグリッドピッチを有するレンズアレイ（２１−２３）と、照明装置と、検出器アレイ（６１−６３）とを備え、マイクロタイタープレートまたは物質チップの個々のサンプル容積部に由来する個々の測定信号の間に、検出器アレイ上で、厳格なチャネル分離が生じるようにされた、マイクロタイタープレートまたは物質チップのための読み取り器であって、
   望遠鏡が、レンズアレイによって決定される光束径を検出器アレイのサイズに縮小させるように、レンズアレイと検出器アレイとの間に設けられ、
   フィールドレンズ（５）が設けられ、
   マイクロタイタープレートまたは物質チップが、レンズアレイと望遠鏡とフィールドレンズとからなるシステムを介して検出器アレイ上に縮小して結像され、
   レンズ・アレイが、それぞれが色消し作用を有するレンズ群によって色消しされ、
   照明装置が、レンズアレイと望遠鏡とによって検出器アレイに結像されるサンプル容積部を正確に照明することを特徴とする、マイクロタイタープレートまたは物質チップのための読み取り器。
2. レンズアレイ（２１−２３）とフィールドレンズ（５）の間、およびフィールドレンズ（５）と検出器アレイ（６１−６３）の間に、それぞれ望遠鏡のレンズ（４１,４２）が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の読み取り器。
3. 検出器アレイ（６）の前にマイクロレンズアレイ（７）が配置されていることを特徴とする請求項１から２までのいずれか一つに記載の読み取り器。
4. アパーチャアレイ（３）がレンズアレイ（２１−２３）とフィールドレンズ（５）の間に配置されていることを特徴とする請求項１から３までのいずれか一つに記載の読み取り器。
5. 検出器アレイ（６）がＣＣＤアレイまたはフォトダイオードアレイであることを特徴とする請求項１から４までの少なくとも一つに記載の読み取り器。
6. 交換可能なレンズアレイ（２１−２３）を備えたモジュール構成であることを特徴とする請求項１から５までの少なくとも一つに記載の読み取り器。
7. レンズアレイが、８×１２のフォーマットで互いに配置されている単独レンズを有していることを特徴とする請求項１から６までの少なくとも一つに記載の読み取り器。
8. 照明装置（９）をカップリングするための二色性ミラー（８）が設けられていることを特徴とする請求項１から７までのいずれか一つに記載の読み取り器。

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