JP4622604B2 - 生体高分子分析支援装置及び生体高分子分析方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＤＮＡマイクロアレイ等の生体高分子分析チップを用いた分析支援装置及び生体高分子分析方法に関する。

近年、様々な生物種の遺伝子の発現解析を行っている。遺伝子の発現解析とは、細胞で発現している遺伝子を同定することであり、具体的には、遺伝子をコードするＤＮＡから転写されているｍＲＮＡを同定することである。

遺伝子の発現解析のためにＤＮＡマイクロアレイ及びその読取装置が開発されている。ＤＮＡマイクロアレイは、プローブとなる既知の塩基配列のｃＤＮＡをスライドガラス等の固体担体上にマトリックス状に整列固定させたものである（例えば特許文献１参照）。ここで、既知の塩基配列のｃＤＮＡとしては、検体において既知のｍＲＮＡと同一、またはその一部と同一の塩基配列のｃＤＮＡが用いられる。ＤＮＡマイクロアレイ及びその読取装置を用いた遺伝子の発現解析は次のようにして行う。

まず、複数種類の配列既知のｃＤＮＡ（以下、プローブＤＮＡという）をスライドガラス等の固体担体に整列固定させたＤＮＡマイクロアレイを準備する。次に、検体からｍＲＮＡを抽出し、逆転写酵素を用いて蛍光物質で標識したｃＤＮＡ（以下、サンプルＤＮＡという）を合成する。次に、サンプルＤＮＡを蛍光物質で標識化してからＤＮＡマイクロアレイ上に添加すると、サンプルＤＮＡが相補的なプローブＤＮＡとハイブリダイズすることによりＤＮＡマイクロアレイ上に固定される。サンプルＤＮＡを標識する蛍光物質は励起されるとサンプルＤＮＡが結合したプローブＤＮＡの位置から蛍光を発することになる。

次いで、ＤＮＡマイクロアレイを読取装置にセッティングし、読取装置にて分析する。読取装置は、励起光の照射点をＤＮＡマイクロアレイに対して二次元的に移動し、それと共に集光レンズ及びフォトマルチプライヤーによってＤＮＡマイクロアレイを二次元走査する。励起光により励起された蛍光物質から発した蛍光を集光レンズで集光させ、蛍光強度をフォトマルチプライヤーで計測することで、ＤＮＡマイクロアレイの面内の蛍光強度分布を計測し、これにより、ＤＮＡマイクロアレイ上の蛍光強度分布が二次元の画像として出力される。出力された画像内で蛍光強度が大きい部分には、プローブＤＮＡの塩基配列と相補的な塩基配列を有したサンプルＤＮＡが含まれていることを表している。従って、二次元画像中のどの部分の蛍光強度が大きいかによって、配列既知のｍＲＮＡのうち、どれが検体で発現しているかを同定することができる。
特開２０００−１３１２３７号公報

ところで、本出願人は、複数の光電変換素子を二次元アレイ状に配列してなる固体撮像デバイスの受光面にプローブＤＮＡ等の分子をスポットした生体高分子分析チップを開発している。このような生体高分子分析チップでは、スポットに付着したサンプルＤＮＡ等の生体高分子を標識する蛍光物質、発光物質等の標識物質からの光を各光電変換素子により計測する。固体撮像デバイスの受光面にスポットが点在しており、標識物質から発した光が殆ど減衰せずに固体撮像デバイスの受光面に入射するため、僅かな光量でも計測が可能であるという利点がある。

しかし、使用によって光電変換素子自体から生じる熱による熱ノイズや、光電変換素子の経時的な感度特性の変化の進行具合は各光電変換素子毎にばらつきがあり、製造初期に複数の光電変換素子の感度特性やノイズ特性にばらつきを記憶しておき、光量の測定時にデータを補正していたとしても対応することができなかった。

本発明の課題は、使用による感度特性やノイズ特性の変化に対応して、複数の光電変換素子の特性のバラツキを除外した測定データが得られる生体高分子分析支援装置及び生体高分子分析方法を提供することである。

請求項１に記載の発明は、二次元アレイ状に配列された複数の光電変換素子を備える撮像素子の受光面上に特定の生体高分子と結合するプローブを点在させてなる生体高分子分析チップと、プローブに結合した生体高分子を標識する蛍光物質を励起する励起光を照射するとともに、前記蛍光物質を励起しない波長の非励起光を照射する光照射装置と、励起光の照射時に各光電変換素子より出力される光量データ値及び非励起光の照射時に各光電変換素子より出力される参照データ値を記憶し、光量データ値を参照データ値で除算することで各光電変換素子に対応する光量の補正データを作成するコンピュータと、を備えることを特徴とする生体高分子分析支援装置である。

請求項１に記載の発明によれば、コンピュータが励起光の照射時に各光電変換素子より出力される光量データ値を記憶するとともに、非励起光の照射時に各光電変換素子より出力される参照データ値を記憶し、例えば光量データ値を参照データ値で除算して各光電変換素子に対応する光量の補正データを作成するので、各光電変換素子の感度のバラツキによる影響を除外することができる。

前記非励起光の照射時の測定は、前記励起光の照射時の測定の直前又は直後に行われることが好ましい。
前記光照射装置は、前記生体高分子分析チップの前記プローブが点在されていない面側と接し、前記撮像素子の前記受光面と対向する面側に向けて光を照射することが好ましい。

請求項４に記載の発明は、二次元アレイ状に配列された複数の光電変換素子を備える撮像素子の受光面上に、特定の生体高分子と結合するプローブを点在させてなる生体高分子分析チップの前記受光面に蛍光物質で標識された生体高分子サンプルを滴下し、
次いで、前記受光面からプローブと結合しない生体高分子サンプルを洗い流し、
その後、前記受光面に蛍光物質の励起光を照射して、各光電変換素子より出力される光量データ値を計測するとともに、前記受光面に前記蛍光物質を励起しない波長の非励起光を照射して、各光電変換素子より出力される参照データ値を計測し、
光量データ値を参照データ値で除算することで各光電変換素子に対応する光量の補正データを作成することを特徴とする生体高分子分析方法である。

請求項４に記載の発明によれば、生体高分子分析チップの受光面に蛍光物質で標識された生体高分子サンプルを滴下することで、プローブに特定の生体高分子が結合し、次いで、受光面からプローブと結合しない生体高分子サンプルを洗い流すことでプローブに結合した生体高分子のみを受光面上に残し、励起光の照射時に各光電変換素子より出力される光量データ値を計測するとともに、非励起光の照射時に各光電変換素子より出力される参照データ値を計測し、例えば光量データ値を参照データ値で除算することで光量の補正データを作成するので、各光電変換素子の感度のバラツキによる影響を除外することができる。

本発明によれば、複数の光電変換素子のそれぞれ経時的特性変化のばらつきに関わらずプローブに結合した生体高分子の検出確度を向上させることができる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。

〔１〕生体高分子分析チップの全体構成
図１は、本発明を適用した実施形態における生体高分子分析チップ１の概略平面図であり、図２は、図１の生体高分子分析チップ１を厚さ方向に切断した切断面IIを矢印方向に見た断面図である。

この生体高分子分析チップ１は、透明基板１７と、光電変換素子を透明基板１７上に二次元アレイ状に配列してなる固体撮像デバイス３と、固体撮像デバイス３の受光面上において二次元アレイ状に点在したスポット６０，６０，…と、を具備する。

〔２〕固体撮像デバイス
図１〜図４を用いて固体撮像デバイス３について詳細に説明する。ここで、図３は、固体撮像デバイス３の画素である光電変換素子の電極構造を示した平面図であり、図４は、図３における固体撮像デバイス３の光電変換素子を厚さ方向に切断した切断面IVを矢印方向に見た断面図である。

この固体撮像デバイス３は透明基板１７上に設けられている。透明基板１７は、光を透過する性質（以下、光透過性という。）を有するとともに絶縁性を有し、石英ガラス等といったガラス基板又はポリカーボネート、ＰＭＭＡ等といったプラスチック基板である。

この固体撮像デバイス３においては、光電変換素子としてダブルゲート型電界効果トランジスタ（以下、ダブルゲートトランジスタという。）２０が利用され、複数のダブルゲートトランジスタ２０，２０，…が透明基板１７上において二次元アレイ状に特にマトリクス状に配列され、これらダブルゲートトランジスタ２０，２０，…が保護絶縁膜３１によってまとめて被覆されている。

ダブルゲートトランジスタ２０，２０，…は何れも、受光部である半導体膜２３と、ボトムゲート絶縁膜２２を挟んで半導体膜２３の下に形成されたボトムゲート電極２１と、トップゲート絶縁膜２９を挟んで半導体膜２３の上に形成されたトップゲート電極３０と、半導体膜２３の一部に重なるよう形成された不純物半導体膜２５と、半導体膜２３の別の部分に重なるよう形成された不純物半導体膜２６と、不純物半導体膜２５に重なったソース電極２７と、不純物半導体膜２５に重なったドレイン電極２８と、を備え、半導体膜２３において受光した光量に従ったレベルの電気信号に変換するものである。

ボトムゲート電極２１は、ダブルゲートトランジスタ２０ごとに透明基板１７上に形成されている。また、透明基板１７上には横方向に延在する複数本のボトムゲートライン４１，４１，…が形成されており、横方向に配列された同一の行のダブルゲートトランジスタ２０，２０，…のそれぞれのボトムゲート電極２１が共通のボトムゲートライン４１と一体となって形成されている。ボトムゲート電極２１及びボトムゲートライン４１は、導電性及び遮光性を有し、例えばクロム、クロム合金、アルミ若しくはアルミ合金又はこれらの合金からなる。

ダブルゲートトランジスタ２０，２０，…のボトムゲート電極２１及びボトムゲートライン４１，４１，…はボトムゲート絶縁膜２２によってまとめて被覆されている。すなわち、ボトムゲート絶縁膜２２は全てのダブルゲートトランジスタ２０，２０，…に共通して形成された膜である。ボトムゲート絶縁膜２２は、絶縁性及び光透過性を有し、例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）又は酸化シリコン（ＳｉＯ₂）からなる。

ボトムゲート絶縁膜２２上には、複数の半導体膜２３がマトリクス状に配列するよう形成されている。半導体膜２３は、ダブルゲートトランジスタ２０ごとに独立して形成されており、それぞれのダブルゲートトランジスタ２０においてボトムゲート電極２１に対して対向配置され、ボトムゲート電極２１との間にボトムゲート絶縁膜２２を挟んでいる。半導体膜２３は、平面視して略矩形状を呈しており、受光した蛍光の光量に応じた量の電子−正孔対を生成するアモルファスシリコン又はポリシリコンで形成された層である。

半導体膜２３上には、チャネル保護膜２４が形成されている。チャネル保護膜２４は、ダブルゲートトランジスタ２０ごとに独立してパターニングされており、それぞれのダブルゲートトランジスタ２０において半導体膜２３の中央部上に形成されている。チャネル保護膜２４は、絶縁性及び光透過性を有し、例えば窒化シリコン又は酸化シリコンからなる。チャネル保護膜２４は、パターニングに用いられるエッチャントから半導体膜２３の界面を保護するものである。半導体膜２３に光が入射すると、入射した光量に従った量の電子−正孔対がチャネル保護膜２４と半導体膜２３との界面付近を中心に発生するようになっている。この場合、半導体膜２３側にはキャリアとして正孔が発生し、チャネル保護膜２４側には電子が発生する。

半導体膜２３の一端部上には、不純物半導体膜２５が一部チャネル保護膜２４に重なるようにして形成されており、半導体膜２３の他端部上には、不純物半導体膜２６が一部チャネル保護膜２４に重なるようにして形成されている。不純物半導体膜２５，２６は、ダブルゲートトランジスタ２０ごとに独立してパターニングされている。不純物半導体膜２５，２６は、ｎ型の不純物イオンを含むアモルファスシリコン（ｎ⁺シリコン）からなる。

不純物半導体膜２５上には、ソース電極２７が形成され、不純物半導体膜２６上には、ドレイン電極２８が形成されている。ソース電極２７及びドレイン電極２８はダブルゲートトランジスタ２０ごとに形成されている。縦方向に延在する複数本のソースライン４２，４２，…及びドレインライン４３，４３，…がボトムゲート絶縁膜２２上に形成されている。縦方向に配列された同一の列のダブルゲートトランジスタ２０，２０，…のソース電極２７は共通のソースライン４２と一体に形成されており、縦方向に配列された同一の列のダブルゲートトランジスタ２０，２０，…のドレイン電極２８は共通のドレインライン４３と一体に形成されている。ソース電極２７、ドレイン電極２８、ソースライン４２及びドレインライン４３は、導電性及び遮光性を有しており、例えばクロム、クロム合金、アルミ若しくはアルミ合金又はこれらの合金からなる。

ダブルゲートトランジスタ２０，２０，…のソース電極２７及びドレイン電極２８並びにソースライン４２，４２，…及びドレインライン４３，４３，…は、トップゲート絶縁膜２９によってまとめて被覆されている。トップゲート絶縁膜２９は全てのダブルゲートトランジスタ２０，２０，…に共通して形成された膜である。トップゲート絶縁膜２９は、絶縁性及び光透過性を有し、例えば窒化シリコン又は酸化シリコンからなる。

トップゲート絶縁膜２９上には、複数のトップゲート電極３０がダブルゲートトランジスタ２０ごとに形成されている。トップゲート電極３０は、それぞれのダブルゲートトランジスタ２０において半導体膜２３に対して対向配置され、半導体膜２３との間にトップゲート絶縁膜２９及びチャネル保護膜２４を挟んでいる。また、トップゲート絶縁膜２９上には横方向に延在する複数本のトップゲートライン４４，４４，…が形成されており、横方向に配列された同一の行のダブルゲートトランジスタ２０，２０，…のトップゲート電極３０が共通のトップゲートライン４４と一体に形成されている。トップゲート電極３０及びトップゲートライン４４は、導電性及び光透過性を有し、例えば、酸化インジウム、酸化亜鉛若しくは酸化スズ又はこれらのうちの少なくとも一つを含む混合物（例えば、錫ドープ酸化インジウム（ＩＴＯ）、亜鉛ドープ酸化インジウム）で形成されている。

ダブルゲートトランジスタ２０，２０，…のトップゲート電極３０及びトップゲートライン４４，４４，…は保護絶縁膜３１によってまとめて被覆され、保護絶縁膜３１は全てのダブルゲートトランジスタ２０，２０，…に共通して形成された膜である。保護絶縁膜３１は、絶縁性及び光透過性を有し、窒化シリコン又は酸化シリコンからなる。

以上のように構成された固体撮像デバイス３は、保護絶縁膜３１の表面を受光面としており、それぞれのダブルゲートトランジスタ２０の半導体膜２３において受光した光量を電気信号に変換するように設けられている。なお、保護絶縁膜３１の表面に蛍光の反射防止膜や励起光の反射膜を設けてもよい。

〔３〕スポット
次に、スポット６０について説明する。図１、図２、図４に示すように、複数種のスポット６０，６０，…が互いに離間して、マトリクス状となって固体撮像デバイス３の上面に配列されている。１つのスポット６０は一本鎖プローブＤＮＡ６１が多数集まった群集であり、１つのスポット６０に含まれる多数の一本鎖プローブＤＮＡ６１は同じ塩基配列（ヌクレオチド配列）を有する。また、スポット６０ごとに一本鎖プローブＤＮＡ６１の塩基配列が異なる配列となっている。一本鎖プローブＤＮＡ６１としては、検体において既知のｍＲＮＡの塩基配列、またはその一部と同一の、あるいは相補的な塩基配列のＤＮＡが用いられる。

１つのスポット６０につき１つのダブルゲートトランジスタ２０が重なるように、スポット６０，６０，…が配列されている。なお、１つのスポット６０につき隣り合う幾つかのダブルゲートトランジスタ２０，２０，…が重なっても良いが、この場合には何れのスポット６０でも重なったダブルゲートトランジスタ２０の数が同じである。

〔４〕分析支援装置
次に、生体高分子分析チップ１を用いたＤＮＡ分析を支援する分析支援装置について説明する。

生体高分子分析チップ１を分析支援装置にセッティングして生体高分子分析チップ１を用いるので、まず分析支援装置について図５、図６を用いて説明する。図５は、分析支援装置７０の回路構成を示したブロック図であり、図６は、分析支援装置７０に生体高分子分析チップ１をセッティングした場合の側面図である。図６において、生体高分子分析チップ１は破断して示されている。

分析支援装置７０は、生体高分子分析チップ１がセッティングされる分析台７１と、この分析台７１に対して着脱できる生体高分子分析チップ１と、固体撮像デバイス３の受光面の上から受光面に向けて励起光を照射する励起光照射装置７２と、固体撮像デバイス３を駆動するトップゲートドライバ７４、ボトムゲートドライバ７５及びドレインドライバ７６と、励起光照射装置７２、トップゲートドライバ７４、ボトムゲートドライバ７５及びドレインドライバ７６を制御するコンピュータ７３と、コンピュータ７３から出力された信号により出力（表示又はプリント）を行う出力装置７７と、を備える。

生体高分子分析チップ１が分析台７１にセッティングされた場合には、固体撮像デバイス３のトップゲートライン４４，４４，…がトップゲートドライバ７４の端子にそれぞれ接続されるようになっている。同様に、固体撮像デバイス３のボトムゲートライン４１，４１，…がボトムゲートドライバ７５の端子にそれぞれ接続されるようになっており、固体撮像デバイス３のドレインライン４３，４３，…がドレインドライバ７６の端子にそれぞれ接続されるようになっている。また、生体高分子分析チップ１が分析台７１にセッティングされた場合、固体撮像デバイス３のソースライン４２，４２，…が一定電圧源に接続され、この例ではソースライン４２，４２，…が接地されるようになっている。

励起光照射装置７２は分析台７１に対向しており、分析台７１に生体高分子分析チップ１が搭載された場合に、励起光照射装置７２から面状に出射した励起光が生体高分子分析チップ１に照射されるようになっている。なお、励起光照射装置７２は、出射する光の波長域を可変可能に設けられていても良い。

出力装置７７はプロッタ、プリンタ又はディスプレイである。

トップゲートドライバ７４、ボトムゲートドライバ７５及びドレインドライバ７６は、協同して固体撮像デバイス３を駆動するものである。トップゲートドライバ７４は、シフトレジスタである。つまり、図７に示すように、トップゲートドライバ７４はトップゲートライン４４，４４，…にリセットパルスを順次出力するようになっている。リセットパルスのレベルは＋５〔Ｖ〕のハイレベルである。一方、トップゲートドライバ７４は、リセットパルスを出力しない時にローレベルの−２０〔Ｖ〕の電位をそれぞれのトップゲートライン４４に印加するようになっている。

ボトムゲートドライバ７５は、シフトレジスタである。つまり、図７に示すように、ボトムゲートライン４１，４１，…にリードパルスを順次出力するようになっている。リードパルスのレベルは＋１０〔Ｖ〕のハイレベルであり、リードパルスが出力されていない時のレベルは±０〔Ｖ〕のローレベルである。

トップゲートドライバ７４が何れかの行のトップゲートライン４４にリセットパルスを出力した後にキャリア蓄積期間を経てボトムゲートドライバ７５が同じ行のボトムゲートライン４１にリードパルスを出力するように、トップゲートドライバ７４及びボトムゲートドライバ７５が出力信号をシフトする。つまり、各行では、リードパルスが出力されるタイミングは、リセットパルスが出力されるタイミングより遅れている。また、何れかの行のトップゲートライン４４へのリセットパルスの入力が開始してから、同じ行のボトムゲートライン４１へのリードパルスの入力が終了するまでの期間は、その行の選択期間である。リセットパルスのレベルは＋５〔Ｖ〕のハイレベルであり、リセットパルスが出力されていない時のレベルは−２０〔Ｖ〕のローレベルである。

図７に示すように、ドレインドライバ７６は、それぞれの行の選択期間において、リセットパルスが出力されてからリードパルスが出力されるまでの間に、全てのドレインライン４３，４３，…にプリチャージパルスを出力するようになっている。プリチャージパルスのレベルは＋１０〔Ｖ〕のハイレベルであり、プリチャージパルスが出力されていない時のレベルは±０〔Ｖ〕のローレベルである。また、ドレインドライバ７６は、プリチャージパルスの出力後にドレインライン４３，４３，…の電圧を増幅してコンピュータ７３に出力するようになっている。

コンピュータ７３は、図示しないＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を備え、励起光照射装置７２を点灯させる機能を有する。また、コンピュータ７３は、トップゲートドライバ７４、ボトムゲートドライバ７５及びドレインドライバ７６に制御信号を出力することによって、トップゲートドライバ７４、ボトムゲートドライバ７５及びドレインドライバ７６に固体撮像デバイス３の駆動動作を行わせる機能を有する。また、コンピュータ７３は入力した二次元の画像データ画像データに従った画像を出力装置７７に出力させる機能を有する。

また、コンピュータ７３はドレインドライバ７６から入力した電気信号をＡ／Ｄ変換することで、固体撮像デバイス３の受光面に沿った光強度分布を二次元の画像データとして取得する機能を有する。そして、コンピュータ７３は後述するように、固体撮像デバイス３より取得した２つの二次元の画像データの演算を行う機能を有する。

コンピュータ７３のＲＡＭには、各ダブルゲートトランジスタにより出力されるデータが記録される。コンピュータ７３のＣＰＵは、記録されたデータをＲＡＭから読み出し、後述する所定の演算を行い、演算結果を出力する。

〔５〕データ取得方法
ここで、トップゲートドライバ７４、ボトムゲートドライバ７５及びドレインドライバ７６による固体撮像デバイス３の動作について説明する。
トップゲートドライバ７４が１行目のトップゲートライン４４から最終行目のトップゲートライン４４へと順次リセットパルスを出力し、ボトムゲートドライバ７５がボトムゲートライン４１，４１，４１，…に順次リードパルスを出力する。その際、ドレインドライバ７６が各行でリセットパルスが出力されているリセット期間と各行でリードパルスが出力されている期間との間に、プリチャージパルスを全てのドレインライン４３，４３，…に出力する。

ｉ行目の各ダブルゲートトランジスタ２０の動作について詳細に説明する。図７に示すように、トップゲートドライバ７４がｉ行目のトップゲートライン４４にリセットパルスを出力すると、ｉ行目のトップゲートライン４４がハイレベルになる。ｉ行目のトップゲートライン４４がハイレベルになっている間（この期間をリセット期間という。）、ｉ行目の各ダブルゲートトランジスタ２０では、半導体膜２３内や半導体膜２３とチャネル保護膜２４との界面近傍に蓄積されたキャリア（ここでは、正孔である。）が、トップゲート電極３０の電圧により反発して吐出される。

次に、トップゲートドライバ７４がｉ行目のトップゲートライン４４にリセットパルスを出力することを終了する。ｉ行目のトップゲートライン４４のリセットパルスが終了してから、ｉ行目のボトムゲートライン４１にリードパルスが出力されるまでの間（この期間をキャリア蓄積期間という。）、光量に従った量の電子−正孔対が半導体膜２３内で生成されるが、そのうちの正孔がトップゲート電極３０の電界により半導体膜２３内や半導体膜２３とチャネル保護膜２４との界面近傍に蓄積される。

次に、キャリア蓄積期間中に、ドレインドライバ７６が全てのドレインライン４３，４３，…にプリチャージパルスを出力する。プリチャージパルスが出力されている間（プリチャージ期間という。）では、ｉ行目の各ダブルゲートトランジスタ２０においては、トップゲート電極３０に印加されている電位が−２０〔Ｖ〕であり、ボトムゲート電極２１に印加されている電位が±０〔Ｖ〕であるため、たとえ半導体膜２３内や半導体膜２３とチャネル保護膜２４との界面近傍に蓄積された正孔の電荷だけではゲート−ソース間電位が低いので半導体膜２３にはチャネルが形成されず、ドレイン電極２８とソース電極２７との間に電流は流れない。プリチャージ期間において、ドレイン電極２８とソース電極２７との間に電流が流れないため、ドレインライン４３，４３，…に出力されたプリチャージパルスによってｉ行目の各ダブルゲートトランジスタ２０のドレイン電極２８に電荷がチャージされる。

次に、ドレインドライバ７６がプリチャージパルスの出力を終了するとともに、ボトムゲートドライバ７５がｉ行目のボトムゲートライン４１にリードパルスを出力する。ボトムゲートドライバ７５がｉ行目のボトムゲートライン４１にリードパルスを出力している間（この期間を、リード期間という。）では、ｉ行目の各ダブルゲートトランジスタ２０のボトムゲート電極２１に＋１０〔Ｖ〕の電位が印加されているため、ｉ行目の各ダブルゲートトランジスタ２０がオン状態になる。

リード期間においては、キャリア蓄積期間において蓄積されたキャリアがトップゲート電極３０の負電界を緩和するように働くため、ボトムゲート電極２１の正電界により半導体膜２３にｎチャネルが形成されて、ドレイン電極２８からソース電極２７に電流が流れるようになる。従って、リード期間では、ドレインライン４３，４３，…の電圧は、ドレイン−ソース間電流によって時間の経過とともに徐々に低下する傾向を示す。

ここで、キャリア蓄積期間において半導体膜２３に入射した光量が多くなるにつれて、蓄積されるキャリアも多くなり、蓄積されるキャリアが多くなるにつれて、リード期間においてドレイン電極２８からソース電極２７に流れる電流のレベルも大きくなる。従って、リード期間におけるドレインライン４３，４３，…の電圧の変化傾向は、キャリア蓄積期間で半導体膜２３に入射した光量に深く関連する。そして、ｉ行目のリード期間から次の（ｉ＋１）行目のプリチャージ期間までの間に、ドレインドライバ７６を介して、リード期間が開始してから所定の時間経過後のドレインライン４３，４３，…の電圧を検出してＡ／Ｄ変換する。これにより、光の強度に換算される。なお、ｉ行目のリード期間から次の（ｉ＋１）行目のプリチャージ期間までの間に、ドレインドライバ７６を介して、所定の閾値電圧に至るまでの時間を検出しても良い。この場合でも、光の強度に換算される。また、図７では、トップゲートドライバ７４の（ｉ＋１）行目のリセットパルスの立ち上がり時期は、ボトムゲートドライバ７５のｉ行目のリードパルスが立ち下がってからであるが、これに限らず、トップゲートドライバ７４の（ｉ＋１）行目のリセットパルスの立ち上がり時期は、トップゲートドライバ７４のｉ行目のリセットパルスの立ち下がり直後からボトムゲートドライバ７５のｉ行目のリードパルスの立ち下がりまでの間であってもよい。ただし、（ｉ＋１）行目のダブルゲートトランジスタ２０のためにドレインライン４３，４３，…に出力されたプリチャージパルスの出力は、ボトムゲートドライバ７５のｉ行目のリードパルスの立ち下がり以降になるように設定されている。

上述した一連の画像読み取り動作を１サイクルとして、全ての行の各ダブルゲートトランジスタ２０にも同等の処理手順を繰り返すことにより、個々のダブルゲートトランジスタ２０，２０，…における光の強度が検出され、コンピュータ７３に取得される。

〔６〕ＤＮＡサンプルの処理方法
ＤＮＡサンプルの処理方法について説明する。
まず、作業者が検体からｃＤＮＡを採取して、場合によってＰＣＲ増幅を行い、得られたＤＮＡに蛍光物質６３を結合させ、ＤＮＡを蛍光物質６３で標識する。蛍光物質６３は、分析支援装置の励起光照射装置から出射される励起光で励起されるものであってその励起光によって蛍光を発するものを選択するが、蛍光物質６３としては、例えばＣｙＤｙｅのＣｙ２（アマシャム社製）がある。得られたＤＮＡは、溶液中に含まれている。以下では、このＤＮＡをサンプルＤＮＡ６２という。

次いで、作業者が、サンプルＤＮＡ６２を含有した溶液を固体撮像デバイス３の受光面に塗布する。ここで、固体撮像デバイス３の受光面にサンプルＤＮＡ６２を分布させるために、サンプルＤＮＡ６２を電気泳動させても良い。なお、サンプルＤＮＡ６２を含有した溶液をスポット６０，６０，…に順次又は同時に滴下しても良い。このとき、サンプルＤＮＡが一本鎖となるようにサンプルＤＮＡを含有した溶液は加熱されている。

その後、プローブＤＮＡ６１とサンプルＤＮＡ６２とがハイブリダイゼーションを引き起こすように、生体高分子分析チップ１を所定の温度に冷却する。これにより、スポット６０，６０，…のなかにサンプルＤＮＡ６２と相補的なプローブＤＮＡ６１があれば、これとハイブリダイズする。一方、スポット６０，６０，…のなかにサンプルＤＮＡ６２と相補的なものがなければ、サンプルＤＮＡ６２はどのスポット６０，６０，…にも結合しない。

その後、固体撮像デバイス３の受光面に塗布したサンプルＤＮＡ６２のうちハイブリダイゼーションしなかったものは洗い流す。

〔７〕ＤＮＡサンプルの検出方法
ＤＮＡサンプルを検出する生体高分子分析チップ１及び分析支援装置７０の動作について説明する。

まず、上記処理を行った固体撮像デバイス３を分析台７１にセッティングし、励起光照射装置７２を固体撮像デバイス３の受光面に対向させ、トップゲートドライバ７４、ボトムゲートドライバ７５及びドレインドライバ７６をコンピュータ７３に接続する。その後、コンピュータ７３を起動し、分析支援装置７０による測定動作を開始する。

図８は測定動作を示すフローチャートである。まず、コンピュータ７３が励起光照射装置７２を制御して励起光照射装置７２を点灯させ、励起光照射装置７２から固体撮像デバイス３の受光面に向けて励起光を出射させるとともに、コンピュータ７３がトップゲートドライバ７４、ボトムゲートドライバ７５及びドレインドライバ７６を制御することにより、固体撮像デバイス３に撮像動作を行わせる（ステップＳ１）。

サンプルＤＮＡ６２が標識されているので、スポット６０，６０，…のうちサンプルＤＮＡ６２とハイブリダイゼーションしたスポット６０からは蛍光（主に可視光波長域）が放出され、対応するダブルゲートトランジスタ２０に高強度の蛍光が入射して電子−正孔対を発生させる。

その後、固体撮像デバイス３により取得されたダブルゲートトランジスタ２０，２０，…のそれぞれの光量データをＲＡＭに記憶する（ステップＳ２）。

次に、コンピュータ７３が励起光照射装置７２を消灯するとともに、トップゲートドライバ７４、ボトムゲートドライバ７５及びドレインドライバ７６を制御することにより、固体撮像デバイス３に撮像動作を行わせる（ステップＳ３）。このとき、キャリア蓄積期間は光量データの取得時と同一である。

その後、固体撮像デバイス３により取得されたダブルゲートトランジスタ２０，２０，…のそれぞれのバックグラウンドデータをＲＡＭに記憶する（ステップＳ４）。

その後、各ダブルゲートトランジスタ２０，２０，…のそれぞれについて、ＲＡＭに記憶された光量データの値からバックグラウンドデータの値を減算して補正データを作成する（ステップＳ５）。コンピュータ７３は各ダブルゲートトランジスタ２０，２０，…に対応する補正データを一画素の光強度とする二次元の画像データとして取得する（ステップＳ６）。コンピュータ７３は、取得された画像データを入力し、その画像を出力装置７７に出力する（ステップＳ７）。そして、コンピュータ７３の処理が終了する。

このように、光量データの値からバックグラウンドデータの値を減算して補正データを作成することで、個々のダブルゲートトランジスタ２０，２０，…におけるバックグラウンドノイズを除去し、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。
なお、上述のように、光量データを取得してからバックグラウンドデータを取得してもよいし、或いはステップＳ３及びステップＳ４は、ステップＳ１の直前に行われてもよい。つまりバックグラウンドデータを先に取得してから光量データを取得してもよい。

作業者は、出力装置７７により出力された画像データからハイブリダイゼーションの有無を確認し、ハイブリダイゼーションが起きていればプローブＤＮＡ６１の塩基配列からサンプルＤＮＡの塩基配列を特定する。即ち、サンプルＤＮＡの塩基配列は、画像の中でハイブリダイゼーションによって蛍光を発した画素に重なったスポット６０と相補的な配列であるので、出力された画像データ中のどの部分が蛍光を発したかによって検体中で発現している遺伝子を特定することができる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の改良並びに設計の変更を行っても良い。以下、生体高分子分析方法の変形例について説明する。

〔変形例１〕
上記実施形態では励起光照射装置７２を消灯してバックグラウンドデータを取得し、光量データの値とバックグラウンドデータの値とを減算して補正データを作成したが、励起光照射装置７２の代わりに、励起光の他に蛍光物質を励起させない所定波長の非励起光を照射することができる光照射装置を用い、非励起光を照射しながら参照データを取得し、参照データの値をもとにして光量データの値を補正した補正データを作成してもよい。

感度のバラツキは個々のダブルゲートトランジスタ２０，２０，…の感度が経時的に変化するために生じる。感度の変化がキャリア（正孔または電子）の移動度の経時変化に起因するものであれば、蛍光波長に限らず他波長でも一様に感度が変化するものと考えられる。例えばあるダブルゲートトランジスタ２０の感度が全波長に対して一様に１０％低下している場合には、光量データ及び参照データの値がともに１０％低下する。したがって、光量データの値を参照データの値で除算することで、感度変化をキャンセルすることができる。

図９は変形例１における測定動作を示すフローチャートである。まず、コンピュータ７３が光照射装置を制御して固体撮像デバイス３の受光面に向けて励起光を出射させるとともに、コンピュータ７３がトップゲートドライバ７４、ボトムゲートドライバ７５及びドレインドライバ７６を制御することにより、固体撮像デバイス３に撮像動作を行わせる（ステップＳ８）。

その後、固体撮像デバイス３により取得されたダブルゲートトランジスタ２０，２０，…のそれぞれの光量データをＲＡＭに記憶する（ステップＳ９）。

次に、コンピュータ７３が光照射装置を制御して固体撮像デバイス３の受光面に向けて非励起光を出射させるとともに、トップゲートドライバ７４、ボトムゲートドライバ７５及びドレインドライバ７６を制御することにより、固体撮像デバイス３に撮像動作を行わせる（ステップＳ１０）。このとき、キャリア蓄積期間は光量データの取得時と同一である。

その後、固体撮像デバイス３により取得されたダブルゲートトランジスタ２０，２０，…のそれぞれの参照データをＲＡＭに記憶する（ステップＳ１１）。

その後、各ダブルゲートトランジスタ２０，２０，…のそれぞれについて、ＲＡＭに記憶された光量データの値を参照データの値で除算して補正データを作成する（ステップＳ１２）。コンピュータ７３は各ダブルゲートトランジスタ２０，２０，…に対応する補正データを一画素の光強度とする二次元の画像データとして取得する（ステップＳ１３）。コンピュータ７３は、取得された画像データを入力し、その画像を出力装置７７に出力する（ステップＳ１４）。そして、コンピュータ７３の処理が終了する。このように補正データを作成することで、個々のダブルゲートトランジスタ２０，２０，…の感度の経時的特性変化のバラツキによる影響を除外することができる。

なお、上述のように光量データを取得してから参照データを取得してもよいし、ステップＳ１０及びステップＳ１１は、ステップＳ８の直前に行われてもよい。つまり参照データを先に取得してから光量データを取得してもよい。また、例えば非励起光の波長の感度低下と蛍光波長の感度低下との関係をあらかじめ求めてコンピュータ７３のＲＯＭに保存しておき、参照データの値から非励起光の波長の感度低下を求め、それに応じて蛍光波長の感度低下を補正した補正データを作成してもよい。さらに、バックグラウンドデータによるノイズの除去と、参照データによる感度のバラツキの除外をともに行ってもよい。

〔変形例２〕
上記実施形態では励起光照射装置７２が分析台７１の上に設置され、生体高分子分析チップ１の上方から励起光を照射するようになっている。それに対して、図１０に示すように、励起光照射装置７２を分析台７１に設置しても良い。この場合、固体撮像デバイス３の裏面を励起光照射装置７２に向けて生体高分子分析チップ１をセッティングし、励起光照射装置７２によって励起光が固体撮像デバイス３の下から固体撮像デバイス３の裏面に向けて照射される。固体撮像デバイス３はボトムゲート電極２１、ボトムゲートライン４１、ソース電極２７、ソースライン４２、ドレイン電極２８、ドレインライン４３の部分を除いて光透過性であるから、励起光がダブルゲートトランジスタ２０，２０，…の間において固体撮像デバイス３の受光面から上へ出射する。

〔変形例３〕
上記実施形態では、光電変換素子としてダブルゲートトランジスタ２０，２０，…を画素として用いた固体撮像デバイス３を用いているが、別の種類の光電変換素子を画素として用いた固体撮像デバイスを生体高分子分析チップに用いても良い。例えば、フォトダイオードを画素として用いたＣＣＤイメージセンサ、ＣＭＯＳイメージセンサ等といった固体撮像デバイスを用いても良い。ＣＣＤイメージセンサにおいては、フォトダイオードが基板上にマトリクス状となって配列されており、それぞれのフォトダイオードの周囲には、フォトダイオードで光電変換された電気信号を転送するための垂直ＣＣＤ、水平ＣＣＤが形成されている。ＣＭＯＳイメージセンサにおいては、フォトダイオードが基板上にマトリクス状となって配列されており、それぞれのフォトダイオードの周囲にはフォトダイオードで光電変換された電気信号を増幅するためのＣＭＯＳ回路が設けられている。

〔変形例４〕
また、上記実施形態では、コンピュータ７３が固体撮像デバイス３から入力した画像データに従った画像を出力装置７７に出力し、作業者が出力された画像データからサンプルＤＮＡ６２の配列を特定したが、コンピュータ７３がサンプルＤＮＡ６２の配列を特定しても良い。すなわち、コンピュータが、特徴抽出処理によって画像データ中のどの部分の蛍光強度が高いかを特定し、蛍光強度が高い部分に対応するスポット６０を特定し、その特定したスポット６０のプローブＤＮＡ６１に相補的な塩基配列を出力装置７７から出力する。

〔変形例５〕
上記実施形態では、スポット６０に既知の塩基配列の一本鎖ＤＮＡを用いたが、その他の既知の生体高分子や低分子等を用いてもよい。例えば、既知のアミノ酸配列のペプチドやタンパク、タンパク質と結合する抗体、低分子リガンド、既知の細胞等を用いてもよい。

本発明の実施の形態における生体高分子分析チップ１の概略平面図である。 図１の切断面IIに沿った断面図である。 固体撮像デバイス３の１つの画素の平面図である。 図３の切断面IVに沿った断面図である。 分析支援装置７０の回路構成を示したブロック図である。 分析支援装置７０の概略側面図である。 ドライバによって固体撮像デバイス３に出力される電気信号のレベルの推移を示したタイミングチャートである。 分析支援装置７０の測定動作を示すフローチャートである。 別例の分析支援装置７０の測定動作を示すフローチャートである。 別例の分析支援装置７０Ａの概略側面図である。

符号の説明

１ 生体高分子分析チップ
３ 固体撮像デバイス（撮像素子）
２０ ダブルゲートトランジスタ（光電変換素子）
６０ スポット
６１一本鎖プローブＤＮＡ（プローブ）
６２ サンプルＤＮＡ（生体高分子）
６３ 蛍光物質（標識物質）
７０ 分析支援装置（生体高分子分析支援装置）
７３ コンピュータ

Claims (4)

1. 二次元アレイ状に配列された複数の光電変換素子を備える撮像素子の受光面上に特定の生体高分子と結合するプローブを点在させてなる生体高分子分析チップと、
   プローブに結合した生体高分子を標識する蛍光物質を励起する励起光を照射するとともに、前記蛍光物質を励起しない波長の非励起光を照射する光照射装置と、
   励起光の照射時に各光電変換素子より出力される光量データ値及び非励起光の照射時に各光電変換素子より出力される参照データ値を記憶し、光量データ値を参照データ値で除算することで各光電変換素子に対応する光量の補正データを作成するコンピュータと、を備えることを特徴とする生体高分子分析支援装置。
2. 前記非励起光の照射時の測定は、前記励起光の照射時の測定の直前又は直後に行われることを特徴とする請求項１記載の生体高分子分析支援装置。
3. 前記光照射装置は、前記生体高分子分析チップの前記プローブが点在されていない面側と接し、前記撮像素子の前記受光面と対向する面側に向けて光を照射することを特徴とする請求項１又は２に記載の生体高分子分析支援装置。
4. 二次元アレイ状に配列された複数の光電変換素子を備える撮像素子の受光面上に、特定の生体高分子と結合するプローブを点在させてなる生体高分子分析チップの前記受光面に蛍光物質で標識された生体高分子サンプルを滴下し、
   次いで、前記受光面からプローブと結合しない生体高分子サンプルを洗い流し、
   その後、前記受光面に蛍光物質の励起光を照射して、各光電変換素子より出力される光量データ値を計測するとともに、前記受光面に前記蛍光物質を励起しない波長の非励起光を照射して、各光電変換素子より出力される参照データ値を計測し、
   光量データ値を参照データ値で除算することで各光電変換素子に対応する光量の補正データを作成することを特徴とする生体高分子分析方法。

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