JP4345739B2 - Biochip reader - Google Patents

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本発明は、バイオチップ読取装置に係り、特にレーザ等のコヒーレント光源を励起光として使用したバイオチップ読取装置に関するものである。   The present invention relates to a biochip reader, and more particularly to a biochip reader using a coherent light source such as a laser as excitation light.

この種のバイオチップ読取装置に関連する先行技術文献としては次のようなものがある。   Prior art documents related to this type of biochip reader include the following.

新しい光学顕微鏡、第二巻、「共焦点レーザ顕微鏡の医学・生物学への応用」、学際企画株式会社、1995年3月28日発行、P132〜133New Optical Microscope, Volume 2, “Application of Confocal Laser Microscope to Medicine and Biology”, Interdisciplinary Planning Co., Ltd., published on March 28, 1995, P132-133 実験医学別冊、ポストゲノム時代の実験講座3、「GFPとバイオイメージング」、株式会社羊土社、2000年10月25日発行、P158Experimental medicine separate volume, post-genome era experimental lecture 3, "GFP and bioimaging", Yodosha Co., Ltd., published on October 25, 2000, P158

図17は、非特許文献1に記載の共焦点光学系に基づく原理構成図である。このような原理構成図に基づいたバイオチップ読取装置では、遮光板2に設けられたピンホールPHを介して出射された光源1からのレーザ光がレンズ3により平行光となりダイクロイックミラー4を透過して対物レンズ5に入射する。対物レンズ5はこの励起光を集光してサンプル(バイオチップ)6を照射する。   FIG. 17 is a principle configuration diagram based on the confocal optical system described in Non-Patent Document 1. In the biochip reader based on such a principle configuration diagram, the laser light emitted from the light source 1 emitted through the pinhole PH provided in the light shielding plate 2 becomes parallel light by the lens 3 and passes through the dichroic mirror 4. Then, the light enters the objective lens 5. The objective lens 5 collects the excitation light and irradiates the sample (biochip) 6.

バイオチップ6の試料に付着された蛍光物質は励起光に励起されて発光し、その蛍光は対物レンズ5を介してダイクロイックミラー4で反射された後、集光レンズ7により絞られて遮光板8に設けられたピンホールPH上に結像する。この像はサンプル6の蛍光像であり、受光器9により検出される。   The fluorescent substance attached to the sample of the biochip 6 is excited by excitation light to emit light, and the fluorescence is reflected by the dichroic mirror 4 through the objective lens 5 and then is narrowed down by the condenser lens 7 to be blocked by the light shielding plate 8. The image is formed on the pinhole PH provided in the. This image is a fluorescent image of the sample 6 and is detected by the light receiver 9.

サンプル6面の蛍光像(2次元像)を観測するにはサンプル6面上を励起光で走査する必要がある。この場合、通常、励起光側を走査するのではなく、サンプル6を載置したステージ(図示せず)側を光軸とは直角な方向に走査(ステージスキャンと言う)する。   In order to observe the fluorescent image (two-dimensional image) of the sample 6 surface, it is necessary to scan the surface of the sample 6 with excitation light. In this case, normally, the side of the stage (not shown) on which the sample 6 is placed is scanned in a direction perpendicular to the optical axis (referred to as stage scanning) instead of scanning the excitation light side.

このようなバイオチップ読取装置では、光源として白色光を用いると光量不足となるためレーザ光が用いられている。また、ピンホールを用いて共焦点型としたことにより、検出像にはサンプル6に付着したゴミの影響が出ないと共に、励起光を絞ってサンプルに照射しているためスペックルノイズも生じないようになっている。   In such a biochip reader, laser light is used because the amount of light is insufficient when white light is used as the light source. In addition, since the confocal type is formed using a pinhole, the detection image is not affected by dust adhering to the sample 6 and speckle noise is not generated because the excitation light is focused on the sample. It is like that.

また、図18は従来のバイオチップ読取装置の他の一例を示す原理構成図である。このような原理は、例えば、非特許文献2に記載されている。
図18において、レーザ等の平行光光源(図示せず)からの励起光は集光レンズ11で絞られ、その後ダイクロイックミラー12で反射して対物レンズ13に入射する。このとき、励起光は対物レンズ13の焦点距離fの位置に結像し、これが第2光源となって対物レンズ13に入射する。
FIG. 18 is a principle configuration diagram showing another example of a conventional biochip reader. Such a principle is described in Non-Patent Document 2, for example.
In FIG. 18, excitation light from a parallel light source (not shown) such as a laser is focused by the condenser lens 11, then reflected by the dichroic mirror 12 and incident on the objective lens 13. At this time, the excitation light forms an image at a position of the focal length f of the objective lens 13 and enters the objective lens 13 as a second light source.

サンプル14は対物レンズ13を透過した励起光で照射される。サンプルとしては例えば表面が平坦なスライドグラス上にDNAを配置したDNAチップ等である。DNAチップの各サイト15では、標識したDNAの蛍光物質が励起光により励起されて蛍光を発する。   The sample 14 is irradiated with excitation light that has passed through the objective lens 13. An example of the sample is a DNA chip in which DNA is arranged on a slide glass having a flat surface. At each site 15 of the DNA chip, the fluorescent substance of the labeled DNA is excited by excitation light and emits fluorescence.

その蛍光は、像形成光学系を介して受光器18上に結像する。すなわち、蛍光は実線で示すように対物レンズ13により平行光となってダイクロイックミラー12およびバリアフィルタ16を通過してレンズ17に入射する。レンズ17により結像したサンプル14の像は受光器18で検出される。   The fluorescence forms an image on the light receiver 18 through an image forming optical system. That is, the fluorescent light becomes parallel light by the objective lens 13 as shown by a solid line, passes through the dichroic mirror 12 and the barrier filter 16 and enters the lens 17. The image of the sample 14 formed by the lens 17 is detected by the light receiver 18.

この場合、サンプル面の全面にわたって照射された励起光の振舞を考察すると次の通りである。破線で示すように平面が平坦な試料面で反射した励起光(この励起光を反射励起光あるいは戻り励起光と呼ぶ)は、対物レンズ13で絞られ焦点距離fの位置に収束する。そしてこの焦点位置を中間像面とするレンズ17を通って受光器18に入る。   In this case, the behavior of the excitation light irradiated over the entire surface of the sample is considered as follows. As shown by the broken line, the excitation light reflected by the flat sample surface (this excitation light is referred to as reflected excitation light or return excitation light) is focused by the objective lens 13 and converges to the position of the focal length f. Then, the light enters the light receiver 18 through the lens 17 having the focal position as an intermediate image plane.

なお、反射励起光はレンズ17を通る前にダイクロイックミラー12とバリアフィルタ16を透過する。バリアフィルタ16は蛍光は通すが反射励起光は除去(減衰)するように形成されており、このバリアフィルタ16を通すことにより背景光として受光器18へ混入する反射励起光を低減している。   The reflected excitation light passes through the dichroic mirror 12 and the barrier filter 16 before passing through the lens 17. The barrier filter 16 is formed so as to pass fluorescence but remove (attenuate) reflected excitation light. By passing through the barrier filter 16, reflected excitation light mixed into the light receiver 18 as background light is reduced.

しかしながら、このような従来のバイオチップ読取装置には次のような課題があった。
(1)図17に示すバイオチップ読取装置では、ピンホール等の調整が大変であり、また高価にもなるという課題があった。さらに、ステージは走査を行なうために耐久性が要求され、高価になるという欠点もあった。
However, such a conventional biochip reader has the following problems.
(1) The biochip reader shown in FIG. 17 has a problem that adjustment of pinholes and the like is difficult and expensive. Further, the stage is required to be durable for scanning, and has a drawback of becoming expensive.

(2)図18に示す装置では、バリアフィルタで反射励起光を減衰するものの十分な減衰は得られなかった。蛍光分子測定等においては背景光を10−9程度まで落とす必要があるが、この装置では10−7程度の減衰率しか得られず、明らかに減衰不足であるという課題があった。 (2) Although the apparatus shown in FIG. 18 attenuates reflected excitation light with a barrier filter, sufficient attenuation was not obtained. In fluorescent molecule measurement and the like, it is necessary to reduce the background light to about 10 −9 , but with this apparatus, only an attenuation rate of about 10 −7 can be obtained, and there is a problem that the attenuation is clearly insufficient.

また、バイオチップにおけるmRNAの発現をcDNAで測定する場合は、その発現量に大幅な違いがあり、次のような課題があった。例えば、図19(a)に示す遺伝子Aと遺伝子Bの発現量に同図(b)のように10〜100倍もの違いがある場合、発現量をそのまま精度良く測定しようとすると、検出器内に使用のアナログ・デジタル変換器や増幅器に大きなダイナミックレンジと高精度が要求され、高価になるという問題があった。   Moreover, when measuring the expression of mRNA in a biochip with cDNA, there is a significant difference in the expression level, and there are the following problems. For example, if there is a difference of 10 to 100 times in the expression levels of gene A and gene B shown in FIG. 19 (a), if the expression level is measured as it is with high accuracy, However, the analog / digital converters and amplifiers used are required to have a large dynamic range and high accuracy, and are expensive.

また、アナログ・デジタル変換器や増幅器のゲインを変えて複数回測定する方式も考えられるが、この方式では測定時間がかかり、測定値のばらつきやバイオチップの退色も大きくなるという問題があった。   In addition, a method of measuring a plurality of times by changing the gain of an analog / digital converter or an amplifier is conceivable, but this method has a problem that it takes a long time to measure, and a variation in measured values and a fading of a biochip increase.

本発明の目的は、このような課題を解決するもので、背景光となる反射励起光を十分に減衰することのできるバイオチップ読取装置を提供することにある。   An object of the present invention is to solve such a problem and to provide a biochip reader capable of sufficiently attenuating reflected excitation light as background light.

このような課題を達成するために、本発明の請求項1記載の発明では、
表面が平坦な試料に励起光を照射し、試料中の蛍光物質から発生する蛍光を受光器で読取るように構成したバイオチップ読取装置において、
平凸型に形成されると共にその平面側に前記蛍光を透過し前記励起光を減衰させる蛍光用干渉膜が形成された結像レンズが、前記受光器の前段に前記蛍光用干渉膜が前記受光器と対向するように配置され、前記励起光が平行光として照射された前記試料から生じ蛍光を前記受光器の受光面に結像させると共に、前記試料側から前記受光器側に入射する励起光を平行光にすることを特徴とする。


In order to achieve such a problem, in the invention according to claim 1 of the present invention,
In the biochip reader configured to irradiate the sample with a flat surface with excitation light and read the fluorescence generated from the fluorescent substance in the sample with a light receiver,
An imaging lens that is formed in a plano-convex shape and has a fluorescent interference film that transmits the fluorescence and attenuates the excitation light on the plane side thereof, and the fluorescent interference film receives the light in front of the light receiver. is disposed to face the vessels, with imaging the fluorescence arising from the illuminated before Symbol samples the excitation light as parallel light to the light receiving surface of the photodetector, incident on the photodetector-side from the sample side and wherein the to Turkey into parallel light excitation light.


このようなレンズを用いれば、バリアフィルタと同等の作用効果を簡単かつ小型で安価に実現することができる。   If such a lens is used, the same effect as the barrier filter can be realized simply, small and inexpensively.

本発明によれば次のような効果がある。
(1)結像レンズを平凸レンズとし、これに蛍光用干渉膜を貼り付けることにより、バリアフィルタを用いることなく、バリアフィルタを用いたのと同等の作用効果を容易に実現することができる。
The present invention has the following effects.
(1) By using a plano-convex lens as the imaging lens and attaching a fluorescent interference film to the imaging lens, it is possible to easily realize the same effects as using the barrier filter without using the barrier filter.

(2)対物レンズにより絞られた反射励起光ビームを遮光または反射させるため、バリアフィルタを用いないでも受光器への反射励起光の混入を容易に防止することができる。
(3)透過型の蛍光読取方式のバイオチップ読取装置においてもバリアフィルタを配置して受光器に入る励起光を容易に減衰させることができる。
(2) Since the reflected excitation light beam focused by the objective lens is shielded or reflected, it is possible to easily prevent the reflected excitation light from entering the light receiver without using a barrier filter.
(3) Also in the transmission type fluorescence reading biochip reader, the excitation light entering the light receiver can be easily attenuated by arranging a barrier filter.

以下図面を用いて本発明を詳細に説明する。図1は本発明に関連するバイオチップ読取装置の一例を示す要部構成図である。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a main part configuration diagram showing an example of a biochip reader related to the present invention.

図1において、31はレーザ等のコヒーレント光(以下レーザ光という)を励起光として発生する光源、32はそのレーザ光を平行光にするレンズ、33はマイクロレンズアレイである。マイクロレンズアレイ33は、複数のマイクロレンズMLを配列したもので、回転板34に取付けられている。   In FIG. 1, 31 is a light source that generates coherent light such as a laser (hereinafter referred to as laser light) as excitation light, 32 is a lens that converts the laser light into parallel light, and 33 is a microlens array. The microlens array 33 is an array of a plurality of microlenses ML, and is attached to the rotating plate 34.

35は回転板34を回転させるモータ、36はサンプル、37はレンズ、38はバリアフィルタ、39は集光レンズ、40は受光素子としてCCD等を用いたカメラである。   35 is a motor for rotating the rotating plate 34, 36 is a sample, 37 is a lens, 38 is a barrier filter, 39 is a condenser lens, and 40 is a camera using a CCD or the like as a light receiving element.

光源31から出射されたレーザ光はレンズ32により平行光となってマイクロレンズアレイ33に入射する。各マイクロレンズMLはそれぞれレーザ光を集光してサンプル36を照射する。サンプル36には、複数のセルが2次元状配置され、各セル内には試料が注入される構造となっている。   The laser light emitted from the light source 31 is collimated by the lens 32 and enters the microlens array 33. Each microlens ML collects the laser beam and irradiates the sample 36. In the sample 36, a plurality of cells are two-dimensionally arranged, and a sample is injected into each cell.

モータ35により回転板34を回転させると、各マイクロレンズMLで絞られた励起光ビームがサンプル36上を走査する。マイクロレンズMLは、その各ビームがサンプルの各セルを個別に走査できるような空間位置関係で回転板34上に配置されている。   When the rotating plate 34 is rotated by the motor 35, the excitation light beam focused by each microlens ML scans the sample 36. The microlens ML is disposed on the rotating plate 34 in such a spatial positional relationship that each beam can individually scan each cell of the sample.

各試料からの蛍光は、レンズ37に入射した後バリアフィルタ38を介してレンズ39に入射する。バリアフィルタ38は、サンプル36からの蛍光は通すがサンプル36を通って入って来た励起光は減衰させる作用効果を有するもので、試料像の背景光を除去するために使用される。
レンズ39により集光し結像した試料像は、カメラ40の受光素子(図示せず)により受像される。
Fluorescence from each sample enters the lens 37 and then enters the lens 39 via the barrier filter 38. The barrier filter 38 has an effect of passing the fluorescence from the sample 36 but attenuating the excitation light entering through the sample 36, and is used to remove background light of the sample image.
The sample image condensed and imaged by the lens 39 is received by a light receiving element (not shown) of the camera 40.

このような構成により、複数のマイクロレンズによりマルチビームを得て、そのビームでサンプルを走査しサンプルの2次元像を容易に得ることができる。
なお、サンプルに付着するゴミはカートリッジ等を使用すると激減できるため、従来のように共焦点型の読取装置にしなくてもよい。ただし、励起光の光量は必要である。本発明では励起光としてレーザ光を用いているため、高輝度で十分な光量が得られる。
With such a configuration, it is possible to easily obtain a two-dimensional image of a sample by obtaining a multi-beam with a plurality of microlenses and scanning the sample with the beam.
Note that since dust attached to the sample can be drastically reduced by using a cartridge or the like, it is not necessary to use a confocal reader as in the prior art. However, the amount of excitation light is necessary. In the present invention, since laser light is used as excitation light, a sufficient amount of light can be obtained with high brightness.

また、本発明ではマイクロレンズにより励起光を絞っているため試料像にはスペックルノイズが生じない。また、従来のようにピンホールを使用しないので調整が楽であり、さらには光走査のためにステージを移動させる移動機構も不要のため耐久性に富み小型で安価な装置が容易に実現できる。   In the present invention, since the excitation light is focused by the microlens, speckle noise does not occur in the sample image. In addition, since a pinhole is not used as in the prior art, adjustment is easy, and a moving mechanism for moving the stage for optical scanning is not required. Therefore, a highly durable and small-sized apparatus can be easily realized.

図2は他の一例を示す要部構成図である。図1のバイオチップ読取装置は透過型であるが、図2は反射型の場合である。マイクロレンズアレイ33とサンプル36の間にダイクロイックミラー41を配置し、サンプル36で発光した蛍光をこのダイクロイックミラー41で反射させレンズ39に入れる。レンズ39はこの蛍光を集光してカメラ40の受光素子面に結像する。その他の構成や動作は図1に同じである。   FIG. 2 is a block diagram showing the main part of another example. The biochip reader of FIG. 1 is a transmissive type, while FIG. 2 is a reflective type. A dichroic mirror 41 is disposed between the microlens array 33 and the sample 36, and the fluorescence emitted from the sample 36 is reflected by the dichroic mirror 41 and enters the lens 39. The lens 39 collects this fluorescence and forms an image on the light receiving element surface of the camera 40. Other configurations and operations are the same as those in FIG.

図3は励起光を±5度以下の入射角でバリアフィルタに入射させる本発明の他の実施例図である。図18の従来例との違いは、バリアフィルタの配置位置である。図3においてはレンズ17と受光器18の間にバリアフィルタ16を配置してある。   FIG. 3 is another embodiment of the present invention in which excitation light is incident on the barrier filter at an incident angle of ± 5 degrees or less. The difference from the conventional example of FIG. 18 is the arrangement position of the barrier filter. In FIG. 3, the barrier filter 16 is disposed between the lens 17 and the light receiver 18.

バリアフィルタ16の減衰率(入射光強度に対する出射光強度の比)は図4に示すように光の入射角に依存し、10−7以上の減衰率を得るにはバリアフィルタへの入射角を±5度(deg)以下にする必要がある。 As shown in FIG. 4, the attenuation rate of the barrier filter 16 (the ratio of the outgoing light intensity to the incident light intensity) depends on the incident angle of light. To obtain an attenuation factor of 10 −7 or more, the incident angle to the barrier filter is Must be ± 5 degrees (deg) or less.

なお、図4に示すデータは平行なレーザ光を用いてバリアフィルタを測定した例である。一般の分光光度計では発散または収束光を用いるため、このような値は得られない。   The data shown in FIG. 4 is an example in which the barrier filter is measured using parallel laser light. Since a general spectrophotometer uses divergent or convergent light, such a value cannot be obtained.

バリアフィルタ16のこのような配置により、励起光は±5度以下の入射角でバリアフィルタ16に入射するため、ほぼ10−9程度減衰する。そのため、受光器18面での観測像の背景光は十分に少なくなる。 With this arrangement of the barrier filter 16, the excitation light is incident on the barrier filter 16 at an incident angle of ± 5 degrees or less, and is attenuated by approximately 10 −9 . Therefore, the background light of the observation image on the surface of the light receiver 18 is sufficiently reduced.

なお、本発明は上記実施例に限定されない。例えば、以下のような構成を採用することもできる。
(1)光源像の大きさに係る場合
図5に白色光等の非レーザ光を用いた場合のケーラー照明系の要部構成図を示す。光源51(光源の直径がa)からの光が集光レンズ11に入射して直径a’の第2光源52を作る。この第2光源52によりサンプル14は照射される。このときのサンプル14を照射する励起光の角度(ここではこの角度を照射角と呼ぶ)βは第2光源52の直径に対応する。
In addition, this invention is not limited to the said Example. For example, the following configuration may be employed.
(1) Case Related to Size of Light Source Image FIG. 5 shows a configuration diagram of a main part of a Koehler illumination system when non-laser light such as white light is used. Light from the light source 51 (the diameter of the light source is a) enters the condenser lens 11 to create a second light source 52 having a diameter a ′. The sample 14 is irradiated by the second light source 52. The angle β of the excitation light that irradiates the sample 14 at this time (here, this angle is referred to as the irradiation angle) β corresponds to the diameter of the second light source 52.

透過型や反射型の顕微鏡ではケーラー照明で大きな角度βがないと必要十分な分解能は得られない。蛍光顕微鏡の場合も同様に光源像52の直径a’は元の光源51の直径aの10倍程度に拡大され、角度βを大きくしている。   A transmission-type or reflection-type microscope cannot obtain a necessary and sufficient resolution without a large angle β by Koehler illumination. Similarly, in the case of the fluorescence microscope, the diameter a ′ of the light source image 52 is enlarged to about 10 times the diameter a of the original light source 51, and the angle β is increased.

しかし、角度βを大きくするとバリアフィルタ16への入射角も大きくなり、励起光の減衰率を低下させるため、角度βには限度がある。光源像と対物レンズ13の焦点距離fの間には、次の関係がある。
a’/2=fβ
すなわち、
β=a’/(2f)
ここに、fは対物レンズ3の焦点距離
However, when the angle β is increased, the incident angle to the barrier filter 16 is also increased, and the attenuation rate of the excitation light is lowered. Therefore, the angle β has a limit. There is the following relationship between the light source image and the focal length f of the objective lens 13.
a ′ / 2 = fβ
That is,
β = a ′ / (2f)
Where f is the focal length of the objective lens 3

十分な減衰率を得るためには、βを±5度以下にする必要がある。±5度以下に抑えるには、例えば光源の大きさあるいは励起光学系の焦点距離f’等を調節すればよい。   In order to obtain a sufficient attenuation rate, β needs to be ± 5 degrees or less. In order to suppress it to ± 5 degrees or less, for example, the size of the light source or the focal length f ′ of the excitation optical system may be adjusted.

(2)光源アレイの場合
図6は緑色Gと赤色Rのように波長の異なる2つの光源からなる光源アレイを使用した場合の構成図である。G光源はレンズ11から距離f’の位置の光軸上に置かれ、R光源はその位置で光軸よりbだけ離れた所に置かれている。このような配置では、水平に置かれた試料面に対して、G光源からの光は垂直に入り、他方のR光源からの光は照射角γ(=f’b)で入る。
(2) Case of Light Source Array FIG. 6 is a configuration diagram in the case where a light source array composed of two light sources having different wavelengths such as green G and red R is used. The G light source is placed on the optical axis at a distance f ′ from the lens 11, and the R light source is placed at a position away from the optical axis by b. In such an arrangement, the light from the G light source enters perpendicular to the horizontally placed sample surface, and the light from the other R light source enters at an irradiation angle γ (= f′b).

試料面で反射した励起光は対物レンズ3およびダイクロイックミラー12を透過した後、短波長側(G光源側)の光は第2のダイクロイックミラー12aで反射し、他方の長波長側(R光源側)の光は第2のダイクロイックミラー12aを透過する。   After the excitation light reflected on the sample surface passes through the objective lens 3 and the dichroic mirror 12, the light on the short wavelength side (G light source side) is reflected on the second dichroic mirror 12a, and the other long wavelength side (R light source side) ) Passes through the second dichroic mirror 12a.

そして前者は結像レンズ17とバリアフィルタ16を介して受光器18上に結像し、後者は結像レンズ17aとバリアフィルタ16aを介して受光器18a上に結像する。   The former forms an image on the light receiver 18 through the imaging lens 17 and the barrier filter 16, and the latter forms an image on the light receiver 18a through the imaging lens 17a and the barrier filter 16a.

この場合、バリアフィルタ16aを水平に取付けているとR光源の反射励起光はγ度傾いた角度で入射する。そこで直角に入射するようにバリアフィルタ16aを水平面からγ度傾けて配置する。
これにより、試料面での反射励起光はいずれもバリアフィルタ16,16aに直角に入射することになり、それぞれ十分に減衰される。
In this case, when the barrier filter 16a is mounted horizontally, the reflected excitation light of the R light source enters at an angle inclined by γ degrees. Therefore, the barrier filter 16a is disposed so as to be inclined by γ degrees from the horizontal plane so as to be incident at a right angle.
As a result, the reflected excitation light on the sample surface is incident on the barrier filters 16 and 16a at a right angle, and is sufficiently attenuated.

(3)結像レンズに係る変形例
図7は結像レンズの要部構成図である。バリアフィルタの機能と結像レンズの機能を併せ持つ蛍光フィルタ付レンズ60を用いた場合の例である。
この蛍光フィルタ付レンズ60は、平凸レンズ61の平面側に蛍光用干渉膜62を貼り付けたものであり、この干渉膜62により反射励起光をバリアフィルタと同様に減衰させるものである。
(3) Modified Example of Imaging Lens FIG. 7 is a configuration diagram of a main part of the imaging lens. This is an example in which a fluorescent filter lens 60 having both a barrier filter function and an imaging lens function is used.
The fluorescent filter-equipped lens 60 is obtained by attaching a fluorescent interference film 62 to the plane side of the plano-convex lens 61. The interference film 62 attenuates reflected excitation light in the same manner as a barrier filter.

(4)ポイントマスク型への変形例
図8に示すように、試料からの反射励起光が対物レンズ13により収束する箇所に遮光部材71を配置して反射励起光をカットする。遮光部材71は例えば透明板あるいは水平方向へ放射状に伸びた3本の支柱等で支える。
(4) Modification to Point Mask Type As shown in FIG. 8, a light shielding member 71 is arranged at a location where reflected excitation light from the sample is converged by the objective lens 13 to cut the reflected excitation light. The light shielding member 71 is supported by, for example, a transparent plate or three support pillars extending radially in the horizontal direction.

遮光部材71の直径φが1.22λ/NA(ただし、λは励起光の波長、NAは対物レンズ13の開口数)程度であれば(換言すれば励起光のビーム径とほぼ等しい面積であれば)、80%以上反射励起光をカットできる。この場合、上記実施例におけるようなバリアフィルタを用いなくてよい。あるいは、減衰率の低い安価なフィルタを用いてもよい。   If the diameter φ of the light shielding member 71 is about 1.22λ / NA (where λ is the wavelength of the excitation light and NA is the numerical aperture of the objective lens 13) (in other words, the area is approximately equal to the beam diameter of the excitation light). 80% or more of the reflected excitation light can be cut. In this case, it is not necessary to use a barrier filter as in the above embodiment. Alternatively, an inexpensive filter with a low attenuation factor may be used.

(5)ポイントミラー型への変形例
上記実施例に示すダイクロイックミラーの代わりに、図9に示すようにケーラー照明の第2光源部に小片のミラー72を配置する。このミラー72は、励起光のビーム径とほぼ等しい面積を有していて、ダイクロイックミラーと同様に光源81からの励起光を反射し、サンプル14を照射すると共に対物レンズ13で絞られた反射励起光も光源側へ反射する。したがって、反射励起光は受光器(図示せず)へは入らない。
なお、ミラー72は透明基板や支柱による支持体73により保持され、その取付け位置と角度が維持される。
(5) Modification to Point Mirror Type Instead of the dichroic mirror shown in the above embodiment, a small mirror 72 is arranged in the second light source part of Koehler illumination as shown in FIG. The mirror 72 has an area substantially equal to the beam diameter of the excitation light, reflects the excitation light from the light source 81 as in the dichroic mirror, irradiates the sample 14, and reflects the excitation excited by the objective lens 13. Light also reflects to the light source side. Therefore, the reflected excitation light does not enter the light receiver (not shown).
The mirror 72 is held by a support 73 made of a transparent substrate or a column, and the mounting position and angle thereof are maintained.

(6)透過蛍光型の場合
図10は透過型蛍光読取方式のバイオチップ読取装置の一実施例図である。この場合も同様にバリアフィルタを用いて透過励起光を減衰させることができる。バリアフィルタ94,97を、サンプル93と対物レンズ95との間と、結像レンズ96と受光器18との間にそれぞれ配置する。なお、バリアフィルタはいずれか一方だけにしても差し支えない。
なお、この場合、対物レンズ95と結像レンズ96とはテレセントリック系になっている。
(6) In the case of a transmission fluorescence type FIG. 10 is a diagram showing an embodiment of a biochip reader of a transmission fluorescence reading system. In this case, similarly, the transmitted excitation light can be attenuated by using the barrier filter. Barrier filters 94 and 97 are disposed between the sample 93 and the objective lens 95, and between the imaging lens 96 and the light receiver 18, respectively. Note that only one of the barrier filters may be used.
In this case, the objective lens 95 and the imaging lens 96 are telecentric.

なお、図11は図1に示す構成においてバリアフィルタ38をレンズ39とカメラ40の間に配置したものである。サンプル36を透過した励起光は、図11中に点線で示すように、ほぼ平行な光でレンズ37,39から成る結像光学系に入射した後、カメラ40に対してはほぼ平行な光で入射する。
このとき励起光は、±5度以下の入射角でバリアフィルタ38に入射し、ほぼ10−7以上減衰する。
FIG. 11 shows a configuration in which a barrier filter 38 is arranged between the lens 39 and the camera 40 in the configuration shown in FIG. As shown by the dotted line in FIG. 11, the excitation light transmitted through the sample 36 enters the imaging optical system composed of lenses 37 and 39 as substantially parallel light, and then is substantially parallel to the camera 40. Incident.
At this time, the excitation light enters the barrier filter 38 at an incident angle of ± 5 degrees or less, and is attenuated by approximately 10 −7 or more.

また、従来例の図19で指摘した問題に対する解決策としては、次のような構成とするのが望ましい。光源から光強度の強い部位と光強度の弱い部位から成る励起光を発生させると共に、その励起光のシェーディングを故意に大きくする。   Further, as a solution to the problem pointed out in FIG. 19 of the conventional example, the following configuration is desirable. Excitation light consisting of a portion having a high light intensity and a portion having a low light intensity is generated from the light source, and the shading of the excitation light is intentionally increased.

例えば図12に示すように励起光を中央が強く周辺が弱い光強度パターンとなるようにし、その平行光の有効範囲R内における光強度Iの最高値に対する最低値の割合αを90%程度にする。このような光強度分布の励起光はマイクロレンズアレイ21およびダイクロイックミラー22を介して同様の光強度分布パターンでサンプル23を照射する。   For example, as shown in FIG. 12, the excitation light has a light intensity pattern in which the center is strong and the periphery is weak, and the ratio α of the minimum value to the maximum value of the light intensity I within the effective range R of the parallel light is set to about 90%. To do. Excitation light having such a light intensity distribution irradiates the sample 23 with a similar light intensity distribution pattern via the microlens array 21 and the dichroic mirror 22.

一方、サンプル23においては、図13に示すように発現量の多い試料ほど外側のセルへ、発現量の少ない試料ほど内側のセルへ配置し、発現量分布が励起光の強度分布とは逆のパターンとなるような配置にする。   On the other hand, in the sample 23, as shown in FIG. 13, a sample with a higher expression level is arranged in the outer cell, and a sample with a lower expression level is placed in the inner cell, so Arrange it to be a pattern.

励起光の光強度分布と試料の発現量分布をこのような関係にすると、発現量の少ない試料、換言すれば蛍光の少ない試料には強い光強度の励起光が照射され、発現量の多い換言すれば蛍光の多い試料には弱い光強度の励起光が照射される。   If the light intensity distribution of the excitation light and the expression level distribution of the sample are in this relationship, a sample with low expression level, in other words, a sample with low fluorescence, is irradiated with excitation light with strong light intensity, and the expression level is high. In this case, excitation light with weak light intensity is irradiated to a sample having a lot of fluorescence.

これにより、発現量に大きな差があっても検出器に入射する各試料からの蛍光にはあまり差がなくなり、したがって検出器内のアナログ・デジタル変換器や増幅器には大きなダイナミックレンジや高精度は要求されず、低精度で安価なものを使用することができる。なお、励起光分布は別途測定しておき、試料からの蛍光は、その励起光分布によって補正して用いる。   As a result, even if there is a large difference in the expression level, there is not much difference in fluorescence from each sample incident on the detector, so the analog / digital converter and amplifier in the detector have a large dynamic range and high accuracy. It is not required and a low-precision and inexpensive one can be used. The excitation light distribution is measured separately, and the fluorescence from the sample is corrected by the excitation light distribution and used.

なお、このようなバイオチップ読取装置は上記実施例に限定されるものではない。例えば、図14に示すように遮光または減光のマスク100を用いて励起光の一部だけを用いると、バイオチップに照射される励起光は図示のような光強度分布となる。このように、遮光または減光パターン(ここでは濃度パターンとも言う)を持つマスクを使用すれば、バイオチップ上の試料の配置の自由度が格段に向上する。   Such a biochip reader is not limited to the above embodiment. For example, as shown in FIG. 14, when only a part of the excitation light is used using a light shielding or dimming mask 100, the excitation light applied to the biochip has a light intensity distribution as shown. In this way, if a mask having a light-shielding or dimming pattern (herein also referred to as a density pattern) is used, the degree of freedom of sample arrangement on the biochip is greatly improved.

また、図15に示すように励起光のシェーディング量を可変にするように構成しても構わない。同図において、図12の構成と異なる点はズーム機構部である。ズーム機構部110は通常のズームレンズを使用した機構であり、光源(図示せず)からの平行光ビームを適宜に拡大または縮小してマイクロレンズアレイ21に与える。   Further, as shown in FIG. 15, the shading amount of the excitation light may be made variable. In the figure, the difference from the configuration of FIG. 12 is the zoom mechanism. The zoom mechanism 110 is a mechanism using a normal zoom lens, and applies a parallel light beam from a light source (not shown) to the microlens array 21 by appropriately enlarging or reducing it.

ズーム機構部110でビームを拡大すると、光源から出射された励起光の光強度分布パターンが横に広がってマイクロレンズアレイ21に入射する励起光の強度分布パターンはより平坦なパターンとなる。逆に縮小するとより急峻なパターンとなる。   When the zoom mechanism unit 110 expands the beam, the light intensity distribution pattern of the excitation light emitted from the light source spreads horizontally, and the intensity distribution pattern of the excitation light incident on the microlens array 21 becomes a flatter pattern. On the other hand, if the image is reduced, the pattern becomes steeper.

このように拡大・縮小によりシェーディング量が変化するので、ズーム機構部110を操作することによりサンプル23に応じてシェーディング量を任意に設定することができる。   As described above, the shading amount changes due to enlargement / reduction, so that the shading amount can be arbitrarily set according to the sample 23 by operating the zoom mechanism unit 110.

また、励起光の光強度分布やサンプルの試料の配置は変えないで、入出力特性が図16に示すような対数関係にある受光素子で構成された検出器を用いてサンプルの蛍光像を検出する構成としてもよい。
このような構成によれば、入力(蛍光量)に大きな違いがあっても検出器側のアナログ・デジタル変換器や増幅器での飽和は防止でき、アナログ・デジタル変換器や増幅器には大きなダイナミックレンジと高精度は要求されなくなる。
In addition, the fluorescence image of the sample is detected using a detector composed of light-receiving elements whose input / output characteristics are in a logarithmic relationship as shown in FIG. 16 without changing the light intensity distribution of the excitation light or the arrangement of the sample. It is good also as composition to do.
According to such a configuration, saturation in the analog / digital converter or amplifier on the detector side can be prevented even if there is a large difference in the input (fluorescence amount), and the analog / digital converter or amplifier has a large dynamic range. High accuracy is no longer required.

以上説明した実施例の発明によれば、バイオチップの各試料の発現量に大きな差があっても検出器には大きなダイナミックレンジや高精度は要求されず、安価で低精度のアナログ・デジタル変換器や増幅器を使用した検出器で満足の行く試料像を検出することができる。
また、光源の光強度分布のシェーディング量を大きくできるため、光量の大幅な効率アップが図れるという効果もある。
According to the invention of the embodiments described above, even if there is a large difference in the expression level of each sample of the biochip, the detector does not require a large dynamic range or high accuracy, and is inexpensive and low-accuracy analog-digital conversion. Satisfactory sample images can be detected with a detector using a detector or amplifier.
In addition, since the shading amount of the light intensity distribution of the light source can be increased, there is an effect that the efficiency of the light amount can be significantly increased.

本発明に係るバイオチップ読取装置の一実施例を示す要部構成図である。It is a principal part block diagram which shows one Example of the biochip reader concerning this invention. 本発明の他の実施例を示す要部構成図である。It is a principal part block diagram which shows the other Example of this invention. 本発明の更に他の実施例を示す要部構成図である。It is a principal part block diagram which shows the further another Example of this invention. バリアフィルタの減衰率特性図である。It is an attenuation factor characteristic view of a barrier filter. 本発明のバイオチップ読取装置の他の一例を示す要部構成図である。It is a principal part block diagram which shows another example of the biochip reader of this invention. 光源アレイを用いた場合の説明図である。It is explanatory drawing at the time of using a light source array. 結像用のレンズの他の実施例を示す構成図である。It is a block diagram which shows the other Example of the lens for imaging. 遮光部材を用いた場合の構成図である。It is a block diagram at the time of using a light shielding member. ミラーを用いた場合の構成図である。It is a block diagram at the time of using a mirror. 透過型蛍光読取方式のバイオチップ読取装置に係る一実施例構成図である。1 is a configuration diagram of an embodiment according to a transmission type fluorescence reading type biochip reading apparatus; FIG. 本発明の他の実施例を示す要部構成図である。It is a principal part block diagram which shows the other Example of this invention. 本発明の更に他の実施例を示す要部構成図である。It is a principal part block diagram which shows the further another Example of this invention. 試料の配置の様子を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the mode of arrangement | positioning of a sample. 本発明の他の実施例を示す要部構成図である。It is a principal part block diagram which shows the other Example of this invention. 本発明の他の実施例を示す要部構成図である。It is a principal part block diagram which shows the other Example of this invention. 検出素子の入出力特性を示す図である。It is a figure which shows the input-output characteristic of a detection element. 従来のバイオチップ読取装置の原理構成図である。It is a principle block diagram of the conventional biochip reader. 従来のバイオチップ読取装置の他の一例を示す原理構成図である。It is a principle block diagram which shows another example of the conventional biochip reader. バイオチップと試料の発現量の差についての説明図である。It is explanatory drawing about the difference in the expression level of a biochip and a sample.

符号の説明Explanation of symbols

11,92,95,96 レンズ
12,12a,41 ダイクロイックミラー
13 対物レンズ
14,36,93 サンプル
15 サイト
16,16a,38,94,97 バリアフィルタ
17,17a,25,32,37,39 レンズ
18,18a 受光器
21,33 マイクロレンズアレイ
23,36 サンプル
31,51,81,91 光源
34 回転板
35 モータ
40 カメラ
52 第2光源
60 蛍光フィルタ付レンズ
61 平凸レンズ
62 蛍光用干渉膜
71 遮光部材
72 ミラー
100 マスク
110 ズーム機構部
11, 92, 95, 96 Lens 12, 12a, 41 Dichroic mirror 13 Objective lens 14, 36, 93 Sample 15 Site 16, 16a, 38, 94, 97 Barrier filter 17, 17a, 25, 32, 37, 39 Lens 18 , 18a Light receiver 21, 33 Micro lens array 23, 36 Sample 31, 51, 81, 91 Light source 34 Rotating plate 35 Motor 40 Camera 52 Second light source 60 Lens with fluorescent filter 61 Plano-convex lens 62 Fluorescent interference film 71 Light shielding member 72 Mirror 100 Mask 110 Zoom mechanism

Claims (1)

表面が平坦な試料に励起光を照射し、試料中の蛍光物質から発生する蛍光を受光器で読取るように構成したバイオチップ読取装置において、
平凸型に形成されると共にその平面側に前記蛍光を透過し前記励起光を減衰させる蛍光用干渉膜が形成された結像レンズが、前記受光器の前段に前記蛍光用干渉膜が前記受光器と対向するように配置され、前記励起光が平行光として照射された前記試料から生じ蛍光を前記受光器の受光面に結像させると共に、前記試料側から前記受光器側に入射する励起光を平行光にすることを特徴とするバイオチップ読取装置。
In the biochip reader configured to irradiate the sample with a flat surface with excitation light and read the fluorescence generated from the fluorescent substance in the sample with a light receiver,
An imaging lens that is formed in a plano-convex shape and has a fluorescent interference film that transmits the fluorescence and attenuates the excitation light on the plane side thereof, and the fluorescent interference film receives the light in front of the light receiver. is disposed to face the vessels, with imaging the fluorescence arising from the illuminated before Symbol samples the excitation light as parallel light to the light receiving surface of the photodetector, incident on the photodetector-side from the sample side biochip reader, wherein the to Turkey into parallel light excitation light.
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