JP4452863B2 - Biochip and biochip reader - Google Patents
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Description
本発明は、DNAチップやプロテインチップなどのバイオチップおよびバイオチップ読み取り装置に関する。特に、検出感度を向上させたバイオチップおよびバイオチップ読み取り装置に関する。 The present invention relates to a biochip such as a DNA chip or a protein chip and a biochip reader. In particular, the present invention relates to a biochip and a biochip reader with improved detection sensitivity.
バイオチップは、ガラス等の基板の上に多種類のDNAの断片(プローブ)や合成オリゴヌクレチオドを貼り付けたものである。バイオチップは、DNAチップ、プロテインチップ、DNAアレイおよびDNAマイクロアレイなどを含む。 A biochip is obtained by pasting various types of DNA fragments (probes) and synthetic oligonucleotides on a substrate such as glass. The biochip includes a DNA chip, a protein chip, a DNA array, a DNA microarray, and the like.
バイオチップの読み取りは、レーザー等の励起光により試料を照射し、試料から発生した蛍光による光を検出し、または試料から発生した化学発光による光を検出することによって行う。 The reading of the biochip is performed by irradiating the sample with excitation light such as a laser and detecting light generated by fluorescence generated from the sample or detecting light generated by chemiluminescence generated from the sample.
図10は、従来のバイオチップ読み取り装置の構成を示す図である。試料励起光原1からの試料励起光は、ダイクロックミラー2によって反射される。ダイクロックミラー2は、試料励起光の波長を透過せず、試料から発生した蛍光の波長を透過させるような特性のものを選択する。ダイクロックミラー2で反射された試料励起光は、対物レンズ3によって、バイオチップ4の試料の位置に集光される。試料から発生した蛍光の一部は、対物レンズ3を通過し、さらにダイクロックミラー2を透過して検出器5に至り検出される。化学発光検出の場合、試料励起光は照射されないが、試料から発生した光が検出器5に至るまでの過程は同様である。
FIG. 10 is a diagram showing a configuration of a conventional biochip reader. Sample excitation light from the sample
図10において、実線は試料励起光の光路を示す。点線は、試料13から発生した蛍光または化学発光の光の光路を示す。
In FIG. 10, the solid line indicates the optical path of the sample excitation light. The dotted line indicates the optical path of the fluorescence or chemiluminescence light generated from the
図11は、従来のバイオチップの構成を示す図である。バイオチップ4は、基板11からなり基板11の一方の面には、試料13が配置される。試料励起光は、試料13が配置されている方の面から照射される。基板11は蛍光または化学発光による光を透過させるように、ガラスまたはプラスチップで形成することができる。ここで、試料13に試料励起光が照射されると、試料13から蛍光が発生する。蛍光の一部は、上述のように対物レンズ3の方向に戻り検出器5に到達して検出される。しかし、蛍光の他の部分は、対物レンズの方向と異なる方向に進み、検出器に検出されない。
FIG. 11 is a diagram showing a configuration of a conventional biochip. The
したがって、従来のバイオチップでは、検出感度を向上させることが困難であった。 Therefore, it has been difficult to improve detection sensitivity with conventional biochips.
従来のバイオチップを使用したバイオチップ読み取り装置の構成については、たとえば、特許文献1(図1他)、特許文献2(図1、図24他)、および特許文献3(図2、図6他)などに開示されている。 Regarding the configuration of a conventional biochip reader using a biochip, for example, Patent Document 1 (FIG. 1, etc.), Patent Document 2 (FIGS. 1, 24, etc.), and Patent Document 3 (FIGS. 2, 6, etc.) ) And the like.
このように、従来のバイオチップは、検出器の方向に向けて射出される光を検出するのみで基板媒質方向に抜ける蛍光または化学発光を検出対象光として取り込むことができないので、検出感度を向上させるのが困難である。 In this way, the conventional biochip only detects the light emitted in the direction of the detector and cannot capture fluorescence or chemiluminescence that passes through the substrate medium as detection target light, thus improving detection sensitivity. Difficult to do.
したがって、検出対象光を増加させることにより、検出感度を向上させることのできるバイオチップに対するニーズがある。 Therefore, there is a need for a biochip capable of improving detection sensitivity by increasing the detection target light.
本発明によるバイオチップは、一方の面に試料を備え、当該試料に関し、試料が発生する蛍光または化学発光による光の検出器と反対側であって、当該試料に対応する位置に反射部材を備える基板を含む。 The biochip according to the present invention includes a sample on one side, and the sample is provided with a reflecting member at a position corresponding to the sample on the side opposite to the light detector by fluorescence or chemiluminescence generated by the sample. Includes substrate.
本発明によるバイオチップ読み取り装置は、試料励起光の光源と、試料励起光を反射させ、試料からの蛍光を透過させるダイクロックミラーと、試料励起光を試料の位置に集光させる対物レンズと、一方の面に試料を備え、当該試料に関し試料励起光の光源と反対側であって、当該試料に対応する位置に反射部材を備える基板を含むバイオチップと、試料からの蛍光を検出する検出器とを備える。 A biochip reader according to the present invention includes a light source for sample excitation light, a dichroic mirror that reflects the sample excitation light and transmits fluorescence from the sample, an objective lens that collects the sample excitation light at the position of the sample, A biochip including a sample on one surface, the substrate being opposite to the light source of the sample excitation light with respect to the sample and having a reflecting member at a position corresponding to the sample, and a detector for detecting fluorescence from the sample With.
したがって、試料が発生する蛍光または化学発光による光は、反射部材によって検出器に向けて反射されるので、検出器の感度を向上させることができる。 Therefore, since the fluorescent or chemiluminescent light generated by the sample is reflected toward the detector by the reflecting member, the sensitivity of the detector can be improved.
本発明の1実施形態によれば、反射部材が、試料が発生する蛍光または化学発光による光を試料の位置に反射するように構成されている。 According to one embodiment of the present invention, the reflecting member is configured to reflect the fluorescent or chemiluminescent light generated by the sample to the position of the sample.
したがって、試料が発生する蛍光または化学発光による光は、反射部材によって試料の位置に向けて反射され、その後検出器に向かうので、検出器の感度を向上させることができる。 Therefore, the fluorescence or chemiluminescence light generated by the sample is reflected by the reflecting member toward the position of the sample and then directed to the detector, so that the sensitivity of the detector can be improved.
本発明の1実施形態によれば、mは1以上の整数として、反射型回折格子が、m次反射回折光の回折効率を最大とするように構成されている。 According to one embodiment of the present invention, m is an integer equal to or greater than 1, and the reflective diffraction grating is configured to maximize the diffraction efficiency of mth-order reflected diffracted light.
したがって、試料が発生する蛍光または化学発光による光であって、反射型回折格子に入射する光に対する、反射型回折格子によって、検出器に向けて反射される光の比率が最大となるので、検出器の感度をさらに向上させることができる。 Therefore, detection is possible because the ratio of the light reflected by the reflective diffraction grating to the detector is the maximum with respect to the light incident on the reflective diffraction grating, which is light generated by fluorescence or chemiluminescence generated by the sample. The sensitivity of the vessel can be further improved.
本発明の1実施形態によれば、反射部材によって反射された、試料が発生する蛍光または化学発光による光が、試料の位置に反射された後、試料の位置を集光位置とする対物レンズを通過して検出器に至るように構成されている。 According to one embodiment of the present invention, after the light generated by the fluorescence or chemiluminescence generated by the sample reflected by the reflecting member is reflected at the position of the sample, the objective lens whose focusing position is the position of the sample is provided. It is configured to pass through to the detector.
試料が発生する蛍光または化学発光による光は、反射部材によって試料の位置に向けて反射され、試料の位置を集光位置とする対物レンズに向かい、対物レンズによってほぼ平行光とされる。したがって、平行光として検出器に向かうので、検出器の検出面に入射されやすく、検出器の感度をさらに向上させることができる。 The fluorescent or chemiluminescent light generated by the sample is reflected by the reflecting member toward the sample position, travels toward the objective lens having the sample position as the condensing position, and is made substantially parallel light by the objective lens. Therefore, since it goes to a detector as parallel light, it is easy to inject into the detection surface of a detector, and the sensitivity of a detector can further be improved.
本発明の1実施形態によれば、反射部材が基板の、試料を備えた面と反対側の面に形成されている。 According to one embodiment of the present invention, the reflecting member is formed on the surface of the substrate opposite to the surface provided with the sample.
したがって、基板がガラス素材の場合にはインプリンティングによって、基板がプラスチック素材の場合には射出成型または切削によって反射部材を製作するのが容易である。 Therefore, it is easy to manufacture the reflecting member by imprinting when the substrate is a glass material and by injection molding or cutting when the substrate is a plastic material.
本発明の1実施形態によれば、基板がガラス素材またはプラスチック素材からなる。 According to one embodiment of the present invention, the substrate is made of a glass material or a plastic material.
したがって、基板が蛍光または化学発光による光を透過させるようにするのに都合がよい。 Therefore, it is convenient for the substrate to transmit light by fluorescence or chemiluminescence.
本発明の1実施形態によれば、反射部材の面を金属膜でコートしている。 According to one embodiment of the present invention, the surface of the reflecting member is coated with a metal film.
したがって、高い反射率を得ることができる。 Therefore, a high reflectance can be obtained.
本発明の1実施形態によれば、反射部材の面を誘電体多層膜でコートしている。 According to one embodiment of the present invention, the surface of the reflecting member is coated with a dielectric multilayer film.
屈折率の高い誘電体膜と屈折率の低い誘電体膜を交互に積層することにより、高効率の反射膜が得られる。各層の膜厚を最適化することにより、所望の波長の反射特性を高くすることができる。 A highly efficient reflective film can be obtained by alternately laminating a dielectric film having a high refractive index and a dielectric film having a low refractive index. By optimizing the film thickness of each layer, it is possible to improve the reflection characteristics of a desired wavelength.
本発明の1実施形態によれば、試料が基板の一方の面に設けられたウエルに配置されている。 According to one embodiment of the present invention, the sample is placed in a well provided on one side of the substrate.
したがって、試料の位置がウエルの位置によって定まるので都合がよい。 Therefore, it is convenient because the position of the sample is determined by the position of the well.
本発明の1実施形態によれば、ウエルが、底面に近づくほど細くなっている円錐または円錐台形状である。 According to one embodiment of the present invention, the well has a cone or truncated cone shape that narrows toward the bottom surface.
したがって、試料が、ウエルの底部の狭い領域に集中して配置され、試料の位置が狭い領域に特定されるので都合がよい。 Therefore, the sample is conveniently arranged in a narrow area at the bottom of the well, and the position of the sample is specified in the narrow area.
本発明の1実施形態によれば、試料励起光が対物レンズによってウエルの底部に集光されるように構成されている場合に、ウエルの円錐または円錐台の側面の傾きが、集光角度にしたがって定められる。 According to one embodiment of the present invention, when the sample excitation light is configured to be collected on the bottom of the well by the objective lens, the inclination of the side surface of the well cone or the truncated cone becomes the collection angle. Therefore, it is determined.
本発明の1実施形態によれば、反射部材は反射型回折格子である。 According to one embodiment of the present invention, the reflective member is a reflective diffraction grating.
したがって、反射部材はコンパクトで反射効率が高い。特に、光軸方向の厚さをきわめて小さくすることができる。 Therefore, the reflecting member is compact and has high reflection efficiency. In particular, the thickness in the optical axis direction can be made extremely small.
本発明の1実施形態によれば、反射部材はフレネル反射面を含む。 According to one embodiment of the present invention, the reflective member includes a Fresnel reflective surface.
したがって、反射部材はコンパクトである。 Therefore, the reflecting member is compact.
本発明の1実施形態によれば、反射部材は反射球面または反射非球面を含む。 According to one embodiment of the present invention, the reflective member includes a reflective spherical surface or a reflective aspheric surface.
したがって、反射部材は反射効率が高い。 Therefore, the reflection member has high reflection efficiency.
図1は、本発明の1実施形態によるバイオチップ読み取り装置の構成を示す図である。試料励起光原1からの試料励起光は、ダイクロックミラー2によって反射される。ダイクロックミラー2は、試料励起光の波長を透過せず、試料から発生した蛍光の波長を透過させるような特性のものを選択する。ダイクロックミラー2で反射された試料励起光は、対物レンズ3によって、バイオチップ4の試料の位置に集光される。試料から発生した蛍光の一部は、対物レンズ3を通過し、さらにダイクロックミラー2を透過して検出器5に至り検出される。化学発光検出の場合、試料励起光は照射されないが、試料から発生した光が検出器5に至るまでの過程は同様である。
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a biochip reader according to an embodiment of the present invention. Sample excitation light from the sample
図1において、実線は試料励起光の光路を示す。点線は、試料13から発生した蛍光または化学発光の光の光路を示す。
In FIG. 1, the solid line indicates the optical path of the sample excitation light. The dotted line indicates the optical path of the fluorescence or chemiluminescence light generated from the
図2は、本発明の1実施形態によるバイオチップの構成を示す図である。バイオチップ4は、基板11からなり基板11の一方の面には、ウエル12が形成されている。試料励起光は、ウエル12の形成されている方の面から照射される。基板11は蛍光または化学発光による光を透過させるように、ガラスまたはプラスチップで形成することができる。ウエル12の中に試料が配置される。本実施形態においては、基板11の、ウエル12が形成されている面と反対側の面において、ウエル12に対応する位置に反射型回折格子14が形成されている。すなわち、反射型回折格子14は、ウエル12ごとに形成される。反射型回折格子14の格子面には、反射膜15がコートされている。ここで、ウエル12の形状は、図2に示すように、底部に向けて細くなっている円錐形状または円錐台形状が好ましい。ウエル12の底部に試料13が配置される。ウエル12の形状については、後でさらに説明する。
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of a biochip according to an embodiment of the present invention. The
図3は、本発明の反射型回折格子の設計の考え方を示す光路図である。光源側より入射されたコリメート光(試料励起光)は、対物レンズ3により試料の位置に集光される。試料から13から発生した蛍光の一部は、対物レンズ3の方向に向かい、対物レンズ3によってコリメート光に変換され、検出器に戻る。試料13から発生した蛍光の他の部分は、反射型回折格子14の方向に向かう。試料13からの化学発光の光の光路も、蛍光の光路と同様である。反射型回折格子14は、同心円状に形成される。反射型回折格子14は、蛍光または化学発光の光を、試料13の位置、すなわちウエル12の底部に反射させるように設計する。試料13を透過した蛍光または化学発光の光は、対物レンズ3の方向に向かい、対物レンズ3によってコリメート光に変換され、検出器に戻る。このようにして、従来のバイオチップにおいては、検出器に向けられていなかった蛍光または化学発光の光が、検出器に向けられ、検出感度が向上する。
FIG. 3 is an optical path diagram showing the concept of design of the reflective diffraction grating of the present invention. Collimated light (sample excitation light) incident from the light source side is condensed at the position of the sample by the
図3において、実線は、試料励起光の光路を示す。点線は、試料13から発生した蛍光または化学発光の光であって、反射回折格子14によって、試料13の位置に反射されたものを含む光の光路を示す。また、図3において、θは対物レンズの集光角度(全角)を示す。
In FIG. 3, the solid line indicates the optical path of the sample excitation light. A dotted line indicates an optical path of light including fluorescence or chemiluminescence light generated from the
一般的に、回折格子の格子間隔は回折角を決定する。本実施形態においては、ウエル12の底部に光線が戻るように格子間隔を決定する。また、格子深さは、どの回折次数にどれだけエネルギーを分配するかを決定する。本実施形態においては、1次回折光を利用するので、1次回折光のエネルギーが最大となるように格子深さを決定する。ブレーズ化反射型回折格子の場合に、1次回折光のエネルギーが最大となるように格子深さは、以下のとおりである。 In general, the grating interval of the diffraction grating determines the diffraction angle. In the present embodiment, the lattice spacing is determined so that the light beam returns to the bottom of the well 12. The grating depth also determines how much energy is distributed to which diffraction order. In the present embodiment, since the first-order diffracted light is used, the grating depth is determined so that the energy of the first-order diffracted light is maximized. In the case of a blazed reflective diffraction grating, the grating depth is as follows so that the energy of the first-order diffracted light is maximized.
λ/(2n)
ここで、は光の波長であり、nは、基板の屈折率である。また、格子の細部の形状については、光路から光路差関数を求め、形状関数に変更することによって求める。
λ / (2n)
Here, is the wavelength of light, and n is the refractive index of the substrate. Further, the detailed shape of the grating is obtained by obtaining an optical path difference function from the optical path and changing it to the shape function.
図4は、本実施形態で使用した反射型回折格子14の形状を示す。上述のように、反射型回折格子14は、同心円状に形成される。横軸は、同心円の中心からの距離を示す。縦軸は、格子深さを示す。格子深さは、200ナノメータである。ここで、基板はガラスを使用し、屈折率は、1.516である。光の波長は、570ナノメータおよび665ナノメータの2波長に対して最適化している。
FIG. 4 shows the shape of the
本実施形態では、1次回折光を利用したが、より高次の回折光を利用しても同様に反射型回折格子14を設計することができる。
Although the first-order diffracted light is used in this embodiment, the
反射型回折格子14は、基板がガラス素材の場合にはインプリンティングによって、基板がプラスチック素材の場合には射出成型または切削によって製作する。
The
反射型回折格子14の格子面は、金属または誘電体多層膜でコートする。コートは基板の全面に行っても、反射型回折格子14の位置だけに行ってもよい。金属コートの場合には、金やアルミで1層コートする。金の物理膜厚は数百ナノメータ以上であればよい。本実施形態では、300ナノメータである。金コートによる反射特性を図5に示す。横軸は波長、縦軸は反射率を示す。誘電体多層膜コートの場合は、屈折率の高い誘電体膜と屈折率の低い誘電体膜を交互に積層することにより、高効率の反射膜が得られる。本実施形態の場合には、物理膜厚は2.2μmであり、低屈率折材料としてSiO2、高屈折率材料としてTi3O5を使用し、21層構造としている。各層の膜厚は、所望の波長の反射特性を高くするように最適化する。本実施形態の誘電体多層膜コートによる反射特性を図6に示す。横軸は波長、縦軸は反射率を示す。570ナノメータおよび665ナノメータの2波長の付近で反射率がピークとなっている。
The grating surface of the
図7は、反射型回折格子14の代わりにフレネル反射面16を使用した実施形態を示す。フレネル反射面は、以下の式で表せる面を、hを半径とする輪状のゾーン(輪帯)に分割し、それらのゾーンを平面基板上に配置したものである。
ここで、cは曲率、Rは曲率半径、kはコーニック定数、Aiは非球面係数を示す。本実施形態では、kはゼロとする。他の数値は、以下に示すとおりである。これらの数値は、ウエル12の底部に光線が戻るように定められている。
図8は、反射型回折格子14の代わりに反射球面17を使用した実施形態を示す。反射球面17の仕様を以下の表に示す。
図9は、反射球面の有効径2a、有効径2aに対するサグ量bを示す。これらの数値は、ウエル12の底部に光線が戻るように定められている。反射球面の代わりに、放物面、楕円面、双曲面、4次曲面などの反射非球面を使用することもできる。 FIG. 9 shows the effective diameter 2a of the reflecting spherical surface and the sag amount b with respect to the effective diameter 2a. These numerical values are determined so that the light beam returns to the bottom of the well 12. Instead of the reflecting sphere, a reflecting aspherical surface such as a paraboloid, an ellipsoid, a hyperboloid, and a quartic surface can be used.
フレネル反射面16および反射球面17も、反射型回折格子14を使用する場合と同様に、金属または誘電体多層膜でコートする。
The
ここで、ウエル12の形状について説明する。本発明においては、反射部材14、16または17の形状は、ウエル12の底部に配置された試料13から発生した蛍光または化学発光の光が、ウエル12の底部に向けて反射されるように設計される。したがって、本発明においては、試料13が、ウエル12の底部の狭い領域に集中して配置されるのが好ましい。このため、ウエル12の形状は、たとえば、断面が半円状のものすなわち半球状のものよりも、図2に示すような、断面が三角形または台形状のもの、すなわち円錐状または円錐台状のものの方が有利である。また、円錐または円錐台の側面の傾きは、集光角度にしたがって定めるのが好ましい。
Here, the shape of the well 12 will be described. In the present invention, the shape of the reflecting
ここで、対物レンズ3の集光角度は、半角11度、全角22度、対物レンズ3と基板11の対物レンズ側との距離は4.3mm、基板11の厚さは1.0mm、ウエル12の基板11面上の半径は0.3mm、ウエル12の深さは0.4mm、ウエル12の底面の半径は0.16mm、反射部材14、16または17の外周円の直径は0.3mmである。
Here, the converging angle of the
1 光源
2 ダイクロックミラー
3 対物レンズ
4 バイオチップ
5 検出器
11 基板
12 ウエル
13 試料
14 反射型回折格子
15 反射膜
16 フレネル反射面
17 反射球面
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