JP6661947B2 - Fluorescent image capturing apparatus and fluorescent image capturing method - Google Patents

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本発明は、試料において発生した蛍光を撮影する蛍光画像撮影装置及び蛍光画像撮影方法に関する。 The present invention relates to fluorescent imaging instrumentation 置及 beauty fluorescent image capturing method for capturing a fluorescence produced in the specimen.

短時間のうちに、かつ効率的に試料の化学反応を分析する装置としてマイクロチャンバが知られている。マイクロチャンバにおいては、試料が化学反応をすることによって発光ないし、励起光を当てることで蛍光を発生する。マイクロチャンバを使った分析では、試料を拡大して見ることの出来る光学顕微鏡、デジタル顕微鏡等の装置を使って活性状態の試料を蛍光や発光を手がかりに観察する。試料は例えばタンパク質や核酸といった生体分子であり、観察によって生体分子の機能や活性度に係る情報を得ることができる。   A microchamber is known as an apparatus for efficiently analyzing a chemical reaction of a sample within a short time. In the microchamber, the sample does not emit light due to a chemical reaction, and emits fluorescence when exposed to excitation light. In the analysis using a microchamber, a sample in an active state is observed using fluorescence or luminescence as a clue using a device such as an optical microscope or a digital microscope capable of enlarging the sample. The sample is a biomolecule such as a protein or a nucleic acid, and information relating to the function and activity of the biomolecule can be obtained by observation.

上記した生体分子の観察では、個々識別した状態で1個ごとに生体分子の特性を測定することを「1分子測定」という。なお、やむを得ず3個程度まで含む場合もある。1分子測定では、光学顕微鏡の分解能が数百nmという可視光の波長程度であるにも関わらず、生体分子は蛍光色素を使って標識することで観察可能となっている。一分子測定では、試料の生体分子を活性な状態にしておく必要があるため、
試料を水溶液中で取り扱っている。試料を保持する水溶液を、以降「試料溶液」と記す。
マイクロチャンバに生体分子を含む試料が保持された状態で封止されたものを、本明細書では「生体分子解析チップ」と記す。生体分子解析チップの蛍光顕微鏡を使った一分子測定は、試料が発生する蛍光の強度を判定するものでなく、蛍光を「有」と「無」の2値で判定する。このため、生体分子解析チップの観察には、蛍光値をリニア(線形)に数値化することが可能な専用の大掛かりな蛍光顕微鏡は必要ではなく、演算装置(Central Processing Unit)とデジタルカメラを備えたスマートフォン等の携帯型の通信機器を使っても蛍光の検出が可能であると考えられる。
In the above-described observation of biomolecules, measuring the characteristics of biomolecules one by one in an individually identified state is referred to as “single-molecule measurement”. In some cases, up to about three are unavoidably included. In single-molecule measurement, biomolecules can be observed by labeling with a fluorescent dye, even though the resolution of an optical microscope is on the order of the wavelength of visible light of several hundred nm. In single-molecule measurement, it is necessary to keep the biomolecules in the sample active.
Handling samples in aqueous solution. The aqueous solution holding the sample is hereinafter referred to as “sample solution”.
A micro-chamber sealed with a sample containing a biomolecule held therein is referred to as a “biomolecule analysis chip” in this specification. The single-molecule measurement using the fluorescence microscope of the biomolecule analysis chip does not determine the intensity of the fluorescence generated by the sample, but determines the fluorescence by using two values, “present” and “absent”. For this reason, observation of a biomolecule analysis chip does not require a dedicated large-scale fluorescence microscope capable of linearly quantifying the fluorescence value, but includes an arithmetic unit (Central Processing Unit) and a digital camera. It is considered that fluorescence can be detected even by using a portable communication device such as a smart phone.

生体分子解析チップは、基本的にはプレパラートと同様に、スライドガラスとカバーガラスのような構成を有する。スライドガラスまたはカバーガラスには微少な穴部が多数規則的に形成されていて、試料溶液はスライドガラスとカバーガラスとの間に挟持される。試料溶液は、微小容器内を満たしていて、各穴の内部には生体分子が0から1個存在している。時には3個程度まで入る場合もある。   The biomolecule analysis chip basically has a configuration like a slide glass and a cover glass, like the slide. Many small holes are regularly formed in the slide glass or the cover glass, and the sample solution is sandwiched between the slide glass and the cover glass. The sample solution fills the inside of the microcontainer, and there is 0 to 1 biomolecule inside each hole. Occasionally, there may be up to about three.

観察対象の生体分子を識別するため、生体分子の個々には蛍光標識が付加される。また、生体分子を容易に観察するため、生体分子に金コロイドまたは微小粒子等が付加される。微小粒子としては、ポリスチレンビーズ、磁気ビーズ等が使用される。生体分子に蛍光標識や微小粒子を付加することにより、一分子測定では、光学顕微鏡の分解能では見ることが難しい大きさの分子を可視化することができる。ただし、このような観察方法は、観察されるべき対象物が一分子または数分子の生体分子等であり、それら一つ一つが識別できる様に凝集せずに分散している必要がある。試料液中の対象物(タンパク質)濃度が通常の生化学的な実験に比して、極めて低くなっている(例えば、約10pM(ピコモーラー:10−9mol/L)程度)ことが条件となる。 In order to identify the biomolecule to be observed, a fluorescent label is added to each of the biomolecules. Also, in order to easily observe the biomolecules, colloidal gold or fine particles are added to the biomolecules. As the fine particles, polystyrene beads, magnetic beads, and the like are used. By adding fluorescent labels and microparticles to biomolecules, it is possible to visualize molecules of a size that are difficult to see with the resolution of an optical microscope in single-molecule measurement. However, in such an observation method, the object to be observed is a single molecule or a few molecules of a biomolecule, and it is necessary that the objects are dispersed without being aggregated so that each of them can be identified. The condition is that the concentration of the target substance (protein) in the sample solution is extremely low as compared with a normal biochemical experiment (for example, about 10 pM (picomolar: about 10 −9 mol / L)). .

また、生化学的、化学的または医学的実験において、マイクロマシン技術(MEMS:マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム)を用いて化学分析システムを小型化したマイクロ流体システムが利用されている。マイクロ流体システムでは、エッチング技術やフォトリソグラフィ技術等を用いて微細な流路構造を有するマイクロチャンバが構成されている。マイクロ流体システムのマイクロチャンバは、微小体積の流体に種々の生化学的または化学的反応をさせるための化学反応容器として用いられている。
マイクロ流体システムのマイクロチャンバの材料としては、シリコン、ガラス等の硬質の物質が用いられる他、ポリジメチルシロキサン(PDMS)、脂肪族環状ポリオレフィン(COP)やその共重合体(COC)等の高分子樹脂またはシリコンゴム等の軟質の物質が用いられている。
In biochemical, chemical, or medical experiments, microfluidic systems in which a chemical analysis system is miniaturized using micromachine technology (MEMS: micro electro mechanical system) are used. In a microfluidic system, a microchamber having a fine channel structure is formed using an etching technique, a photolithography technique, or the like. The microchamber of the microfluidic system is used as a chemical reaction container for causing various biochemical or chemical reactions on a small volume of fluid.
Hard materials such as silicon and glass are used as materials for the microchamber of the microfluidic system, and polymers such as polydimethylsiloxane (PDMS), aliphatic cyclic polyolefin (COP) and its copolymer (COC) are used. A soft substance such as resin or silicone rubber is used.

生体分子の拡散でのみの移動の場合の反応時間は、一般的に反応させる粒子間距離の2乗を拡散係数で割った値によって表される。具体的には、拡散移動距離が1μmなら0.1秒となり、距離が1cmでは1000万秒程度になる。生体分子の反応効率は、互いに数秒で移動できる範囲に粒子があるときに高まることになる。なお、数秒で移動できる範囲とは、10μm以下である。このため、マイクロ流体システムのマイクロチャンバでは、移動距離が10μm以下となるマイクロ流路が用いられている。   The reaction time in the case of movement only by diffusion of biomolecules is generally represented by a value obtained by dividing the square of the distance between particles to be reacted by the diffusion coefficient. Specifically, when the diffusion movement distance is 1 μm, it takes 0.1 second, and when the distance is 1 cm, it takes about 10 million seconds. The reaction efficiency of biomolecules will increase when the particles are in a range that can move with each other in seconds. The range that can be moved in a few seconds is 10 μm or less. For this reason, in a microchamber of a microfluidic system, a microchannel having a moving distance of 10 μm or less is used.

このようなマイクロ流体システムでは、マクロチャンバ内の生体分子の蛍光を検出するため、光検出器が用いられる。蛍光を検出する光検出器は、特許文献1及び非特許文献1に記載されている。特許文献1には、画像化の対象物にLED光を照射し、市販のデジタルカメラで撮影して解析することが記載されている。特許文献1には、対象物の撮影において、焦点をどのように合わせるかは記載されていない。
また、非特許文献1には、微小粒子やウィルスの蛍光画像をスマートフォンによって撮影することが記載されている。
In such a microfluidic system, a photodetector is used to detect the fluorescence of biomolecules in the macro chamber. Photodetectors for detecting fluorescence are described in Patent Literature 1 and Non-Patent Literature 1. Patent Literature 1 describes that an object to be imaged is irradiated with LED light, photographed by a commercially available digital camera, and analyzed. Patent Literature 1 does not describe how to focus on photographing an object.
Non-Patent Document 1 describes that a fluorescent image of a microparticle or a virus is captured by a smartphone.

特表2011−521237号公報JP, 2011-521237, A

A.ozcan et.al,ACS Nano, 2013,7(10), pp 9147-9155、Fluorescent Imaging of Single Nanoparticles and Viruses on a Smart Phone.A. ozcan et.al, ACS Nano, 2013, 7 (10), pp 9147-9155, Fluorescent Imaging of Single Nanoparticles and Viruses on a Smart Phone.

しかしながら、マイクロチャンバでは、穴の容積が数から数十fLと微小であって、内部にある生体分子の数が少ないために生体分子が発する蛍光は非常に微弱である。デジタルカメラの感度は微弱な蛍光でも、数秒蓄積すれば検出することができるが、オートフォーカスはリアルタイムで検出できないとオートフォーカスセンサの感度が不足して蛍光の発光面にピントを合わせることが難しい。発光面にピントが合わないと、撮影された蛍光が画像において実際より暗くなり、画像上で見えなくなることがある。
また、オートフォーカスによるピント合わせは、コントラストが最大もしくは、輝度が最大となるレンズの位置をリアルタイムに探して焦点を合わせる。生体分子解析チップは、下層から空気、ガラス、空気もしくは液体、ガラス、空気という積層構造になっている。このような生体分子解析チップに、ピント合わせの為に補助光を照射すると、ピントの位置は一番反射の強い最上のガラス表面に合ってしまい、ピントを所望の最上のガラスの裏面もしくは、2枚目のガラスの表面に合わせることができない。
However, in the microchamber, the volume of the hole is as small as several to several tens of fL, and the number of biomolecules in the inside is small, so that the fluorescence emitted from the biomolecules is very weak. The sensitivity of the digital camera can be detected even if the fluorescence is weak even if it is accumulated for several seconds. However, if autofocus cannot be detected in real time, the sensitivity of the autofocus sensor is insufficient and it is difficult to focus on the fluorescent light emitting surface. If the light emitting surface is out of focus, the captured fluorescence may be darker than it actually is in the image and may not be visible on the image.
In autofocusing, the position of a lens at which the contrast or the luminance is maximized is searched for in real time and focused. The biomolecule analysis chip has a laminated structure of air, glass, air or liquid, glass, and air from the lower layer. When such a biomolecule analysis chip is irradiated with auxiliary light for focusing, the focus position is aligned with the uppermost glass surface having the strongest reflection, and the focus is adjusted to the desired back surface of the uppermost glass or to the desired position. Cannot fit the surface of the second glass.

さらに、マイクロチャンバ内の生体分子を撮影するには、数μmのサイズのパターンが解像するようにレンズをマクロモードで使用する。このため、レンズの焦点深度が100μm以下になり、高い精度でピントが合わないと積算してもぼやけて非常に暗い蛍光を検出することは難しい。
なお、一眼レフのようにオートフォーカスおよびマニュアルでピントを合わせる機能を有するデジタルカメラもあるが、このようなカメラは、大量生産で安価にし易いオートフォーカスの機能だけを持ったデジタルカメラよりも高価である。
Furthermore, in order to image a biomolecule in a microchamber, a lens is used in a macro mode so that a pattern having a size of several μm is resolved. For this reason, the depth of focus of the lens becomes 100 μm or less, and it is difficult to detect a very dark fluorescent light which is blurred even if integration is performed when focusing is not performed with high accuracy.
Some digital cameras, such as single-lens reflex cameras, have autofocus and manual focus functions.However, such cameras are more expensive than digital cameras that have only the autofocus function, which is easily mass-produced and inexpensive. is there.

また、スマートフォンに内蔵するデジタルカメラは小型でなければならず、その多くは縦、横の長さが10mm以下である。このため、スマートフォン内蔵の小さなデジタルカメラには、手動でレンズを送り出してピントを調整する機構を設けることがスペース的に困難である。また、レンズをプログラムで操作することも考えられるが、スマートフォンのメーカーにとってカメラ制御のプログラムはコア技術であり、通常プログラムは公表されない。このため、スマートフォンに設けられるカメラの多くは、各カメラメーカーがカスタマイズしたオートフォーカスを採用している。少し大きくなってもオートフォーカスに加えてマニュアルフォーカスもできれば、なおのこと望ましい。   In addition, digital cameras built into smartphones must be small, and most of them are 10 mm or less in length and width. For this reason, in a small digital camera with a built-in smartphone, it is difficult to provide a mechanism for manually sending out the lens and adjusting the focus in terms of space. It is also conceivable to operate the lens with a program, but for a smartphone manufacturer, the camera control program is a core technology, and the program is usually not disclosed. For this reason, many cameras provided in smartphones adopt autofocus customized by each camera manufacturer. Even if it becomes slightly larger, it would be more desirable if manual focus could be performed in addition to autofocus.

以上のことから、デジタルカメラを利用して生体分子解析チップにおける試料の蛍光を撮影するには、オートフォーカスの機構を利用しながらも所望の位置に焦点を合わせることが必要になる。試料表面を焦点が合った状態で撮影することができれば、得られた複数枚の画像を画像処理してノイズを低減し、暗い蛍光を検出することができる。
本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、生体分子解析チップの任意の位置に焦点を合わせることができる蛍光画像撮影装置及び蛍光画像撮影方法を提供することを目的とする。
As described above, in order to photograph the fluorescence of a sample in a biomolecule analysis chip using a digital camera, it is necessary to focus on a desired position while using an autofocus mechanism. If the sample surface can be photographed in a focused state, the obtained plurality of images can be subjected to image processing to reduce noise and detect dark fluorescence.
The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a fluorescent image photographing instrumentation 置及 beauty fluorescence imaging method that can be focused at any position of the biomolecule analysis chip .

上記課題を解決するため、本発明の一態様の蛍光画像撮影装置は、蛍光部材を含む試料溶液を保持した分子解析チップを載置する載置部と、オートフォーカス機能を有する撮影装置を固定する固定部と、上記固定部に対する上記載置部の相対的な距離を調整する距離調整部と、上記距離調整部によって距離が調整された上記載置部上の上記分子解析チップに上記蛍光部材を励起する光を照射する光照射部と、を備えることを特徴とする。   According to one embodiment of the present invention, there is provided a fluorescence image capturing apparatus in which a mounting portion for mounting a molecular analysis chip holding a sample solution including a fluorescent member and an imaging device having an autofocus function are fixed. A fixed part, a distance adjusting part for adjusting a relative distance of the mounting part with respect to the fixing part, and the fluorescent member on the molecular analysis chip on the mounting part whose distance is adjusted by the distance adjusting part. And a light irradiator for irradiating the exciting light.

本発明の一態様の蛍光画像撮影方法は、複数の層を有する分子解析チップにおいて発生する蛍光を撮影する蛍光撮影方法であって、上記分子解析チップの上記層のうち一の層に光学素子が発した光を照射する工程と、上記光が照射された上記層にカメラの焦点を合わせる工程と、上記カメラのオートフォーカス機能を使って上記焦点を固定する工程と、上記カメラを上記分子解析チップに対して相対的に移動させ、上記分子解析チップの任意の位置にカメラの焦点を合わせる工程と、を含むことを特徴とする。   The fluorescence image capturing method according to one embodiment of the present invention is a fluorescence capturing method for capturing fluorescence generated in a molecular analysis chip having a plurality of layers, wherein an optical element is provided in one of the layers of the molecular analysis chip. Irradiating the emitted light, focusing the camera on the layer irradiated with the light, fixing the focus by using an autofocus function of the camera, and the molecular analysis chip And moving the camera to an arbitrary position on the molecular analysis chip.

本発明の一態様の分子解析チップは、透明な第1の層と、上記第1の層に重ねて設けられ、上記第1の層と共に試料溶液を保持する透明な第2の層と、上記第1の層に対応し、光学部材及び導光性を有する樹脂部材を備える第1のエッジライトと、上記
第2の層に対応し、光学部材及び導光性を有する樹脂部材を備える第2のエッジライトと、を備えることが望ましい。
The molecular analysis chip according to one embodiment of the present invention includes a transparent first layer, a transparent second layer provided so as to overlap the first layer, and holding a sample solution together with the first layer; A first edge light corresponding to the first layer and including an optical member and a resin member having light guiding property; and a second edge light corresponding to the second layer and including an optical member and a resin member having light guiding property. It is desirable to have an edge light.

生体分子解析チップの任意の位置に焦点を合わせることができる蛍光画像撮影装置及び蛍光画像撮影方法を提供することができる。 Fluorescence imaging instrumentation 置及 beauty fluorescence imaging method that can be focused at any position of the biomolecule analysis chip can be provided.

蛍光画像撮影装置の実施形態を説明するための図である。It is a figure for explaining an embodiment of a fluorescence image photography device. 図1に示した蛍光画像撮影装置の内部を説明するための図である。FIG. 2 is a diagram for explaining the inside of the fluorescence image capturing apparatus shown in FIG. 1. 撮影された蛍光画像を例示した図である。It is the figure which illustrated the fluorescence image which was image | photographed. 生体分子解析チップの実施形態を説明するための図である。It is a figure for explaining embodiment of a biomolecule analysis chip. 図4に示した生体分子解析チップのマイクロウェルを説明するための図である。FIG. 5 is a diagram for explaining a microwell of the biomolecule analysis chip shown in FIG. 4. 生体分子解析チップのLEDエッジライトを説明するための図である。It is a figure for explaining LED edge light of a biomolecule analysis chip. 生体分子解析チップをサンプルホルダーにセットした状態を示した図である。FIG. 3 is a diagram showing a state in which a biomolecule analysis chip is set on a sample holder. 蛍光画像撮影方法の実施形態を説明するための図である。It is a figure for explaining an embodiment of a fluorescence image photography method.

以下、本発明の一実施形態の蛍光画像撮影装置を説明する。
(構成)
図1(a)、(b)は、本実施形態の蛍光画像撮影装置1を説明するための斜視図であり、図1(a)、(b)は、互いに異なる角度から蛍光画像撮影装置を示している。
本実施形態の蛍光画像撮影装置1は、蛍光部材を含む試料溶液を保持した生体分子解析チップ30を載置する載置部35と、オートフォーカス機能を有するスマートフォン51を固定する固定部51aと、固定部51aに対する載置部35の相対的な距離を調整する距離調整部であるZ軸用ステージ送りツマミ208と、Z軸用ステージ送りツマミ208によって高さが調整された載置部35上の生体分子解析チップ30に蛍光部材を励起する光を照射する光照射部である半導体レーザ56と、を備えている。
Hereinafter, a fluorescence image capturing apparatus according to an embodiment of the present invention will be described.
(Constitution)
FIGS. 1A and 1B are perspective views for explaining a fluorescent image capturing apparatus 1 according to the present embodiment. FIGS. 1A and 1B illustrate the fluorescent image capturing apparatus 1 from different angles. Is shown.
The fluorescence image capturing apparatus 1 of the present embodiment includes a mounting section 35 on which the biomolecule analysis chip 30 holding a sample solution including a fluorescent member is mounted, a fixing section 51a for fixing a smartphone 51 having an autofocus function, The Z-axis stage feed knob 208, which is a distance adjusting unit that adjusts the relative distance of the mounting unit 35 to the fixed unit 51a, and the mounting unit 35 whose height has been adjusted by the Z-axis stage feed knob 208. A semiconductor laser 56 which is a light irradiator for irradiating the biomolecule analysis chip 30 with light for exciting the fluorescent member.

上記構成では、Z軸用ステージ送りツマミ208が固定部51aに対する載置部35の相対的な距離を調整することにより、固定部51aに固定されたスマートフォン51のカメラと載置部35上の生体分子解析チップ30との距離が調整されることになる。
また、蛍光画像撮影装置1は、半導体レーザ56の角度を調整する角度調整部202と、角度調整部202による角度の調整に使用されるマイクロメータヘッド210と、Z軸用ステージ送りツマミ208を保持して固定するクランプ209と、半導体レーザ56に電力を供給するバッテリー206及び半導体レーザ56とバッテリー206とを接続するレーザバッテリー接続部203を備えている。
In the above configuration, the Z-axis stage feed knob 208 adjusts the relative distance of the mounting section 35 to the fixed section 51a, and thereby the camera of the smartphone 51 fixed to the fixed section 51a and the living body on the mounting section 35. The distance from the molecular analysis chip 30 is adjusted.
Further, the fluorescence image capturing apparatus 1 holds an angle adjusting unit 202 for adjusting the angle of the semiconductor laser 56, a micrometer head 210 used for adjusting the angle by the angle adjusting unit 202, and a Z-axis stage feed knob 208. The semiconductor laser 56 includes a clamp 209 for fixing the semiconductor laser 56, a battery 206 for supplying power to the semiconductor laser 56, and a laser battery connection unit 203 for connecting the semiconductor laser 56 and the battery 206.

バッテリー206は、バッテリー206による電力の供給を指示するバッテリー電源ボタン204及びバッテリー206を充電するためのケーブルが挿入されるバッテリー充電ポート205を備えている。固定部51aは、スマートフォン51をサンプルホルダー207に固定するものであればどのような構成であってもよい。
また、図1には示されていないが、生体分子解析チップ30にはLEDエッジライトが設けられている。LEDエッジライトについては後に詳述する。
このような本実施形態は、蛍光画像の撮影に必要な部材をコンパクトに一体化することができる。また、本実施形態は、汎用的な携帯型の通信端末であるスマートフォンを利用して蛍光画像の撮影が可能である。このため、本実施形態の蛍光画像撮影装置1は、携帯可能な構成を実現することができる。
The battery 206 includes a battery power button 204 for instructing power supply by the battery 206 and a battery charging port 205 into which a cable for charging the battery 206 is inserted. The fixing portion 51a may have any configuration as long as it fixes the smartphone 51 to the sample holder 207.
Although not shown in FIG. 1, the biomolecule analysis chip 30 is provided with an LED edge light. The LED edge light will be described later in detail.
In the present embodiment as described above, members necessary for capturing a fluorescent image can be compactly integrated. In the present embodiment, a fluorescent image can be captured using a smartphone, which is a general-purpose portable communication terminal. For this reason, the fluorescence image capturing apparatus 1 of the present embodiment can realize a portable configuration.

蛍光画像撮影装置1は、半導体レーザ56が約5Vで動作するため、励起用のレーザ光を照射する半導体レーザ56を充電可能なリチウム電池で構成されたUSB電源であるバッテリー206で動作させることができる。本実施形態では、低消費電力で小型の半導体レーザ56として、発熱量が小さく、2cm立方以下のアルミブロックの自然冷却で使用可能なものを選定している。
このような半導体レーザ56は、安価であるという長所を有する一方、温度上昇に伴って共振器が熱で膨張するために発振されるレーザ光の波長が長波長方向にシフトする。また、このような半導体レーザ56は、熱の影響で配線抵抗が増加し、実効的な電圧が不足するためにレーザ光出力の低下が起こる。このような特性は、データの絶対値が変化するためアナログの蛍光値を測定するには好ましくないが、デジタルの2値で蛍光値を評価する本実施形態においては蛍光値が閾値近辺で変化しない限り問題とはならない。 なお、蛍光値をアナログ値として測定する装置のレーザ光源は、ペルチェ素子等で冷却しながら温度を一定にしなければならず、電気容量、熱の発生、重量及び装置コストから携帯可能な蛍光画像撮影装置には適していない。
Since the semiconductor laser 56 operates at about 5 V in the fluorescence image capturing apparatus 1, the semiconductor laser 56 that irradiates the laser beam for excitation can be operated by the battery 206 that is a USB power supply composed of a rechargeable lithium battery. it can. In the present embodiment, as the small-sized semiconductor laser 56 having low power consumption, a small-sized semiconductor laser which has a small heat generation and can be used for natural cooling of an aluminum block of 2 cm 3 or less is selected.
Such a semiconductor laser 56 has the advantage that it is inexpensive, but the wavelength of the laser light oscillated shifts in the long wavelength direction because the resonator expands with heat as the temperature rises. Further, in such a semiconductor laser 56, the wiring resistance increases due to the influence of heat, and the effective voltage is insufficient, so that the laser light output decreases. Such a characteristic is not preferable for measuring an analog fluorescence value because the absolute value of the data changes. However, in the present embodiment in which the fluorescence value is evaluated using two digital values, the fluorescence value does not change near the threshold value. As long as it does not matter. The laser light source of the device that measures the fluorescence value as an analog value must be kept at a constant temperature while being cooled by a Peltier element or the like. Not suitable for equipment.

試料である生体分子解析チップへのレーザ光の照射においては、半導体レーザ56の角度及び高さが調整可能になっている。半導体レーザ56の角度は角度調整部202を使って作業者が調整する。載置部35の高さはZ軸用ステージ送りツマミ208を使って作業者が調整する。このような機構により、半導体レーザ56のレーザ光は、生体分子解析チップ30に対して斜めに照射される。本実施形態の蛍光画像撮影装置1は、半導体レーザ56の位置や角度を生体分子解析チップ30の形状や構成に応じて最適に調整することができる。
上記構成は、蛍光顕微鏡のように、励起光と蛍光を完全に分離できるバックグラウンドの迷光を最小にできる蛍光キューブを使用せず、薄型化、コンパクト化に有利な光学系を模索した結果選択されたものである。
When irradiating the sample with a biomolecule analysis chip with laser light, the angle and height of the semiconductor laser 56 can be adjusted. The angle of the semiconductor laser 56 is adjusted by an operator using the angle adjusting unit 202. The operator adjusts the height of the mounting section 35 using the Z-axis stage feed knob 208. With such a mechanism, the laser beam of the semiconductor laser 56 is obliquely applied to the biomolecule analysis chip 30. The fluorescence image capturing apparatus 1 of the present embodiment can optimally adjust the position and angle of the semiconductor laser 56 according to the shape and configuration of the biomolecule analysis chip 30.
The above configuration was selected as a result of exploring an optical system that is advantageous for thinning and compactness without using a fluorescent cube that minimizes background stray light that can completely separate excitation light and fluorescent light, such as a fluorescence microscope. It is a thing.

生体分子解析チップ30は、屈折率の異なる2種類の層の間に試料溶液を封入している。本実施形態のレーザ光を生体分子解析チップ30に対して斜めに照射する構成は、層に対して斜めに入射した光は、特定の入射角において、その層の界面で全反射するという特性に着目したものである。本実施形態は、蛍光色素の励起に使用されるレーザ光と蛍光とを分離し、蛍光観察時に励起光のバックグラウンドの上昇がない入射角度を設定するために角度調整部202を設けた。また、Z軸用ステージ送りツマミ208によって載置部35の位置を調整することにより、半導体レーザ56の生体分子解析チップ30に対する高さを調整することができる。   The biomolecule analysis chip 30 has a sample solution sealed between two types of layers having different refractive indexes. The configuration in which the laser beam of the present embodiment is obliquely applied to the biomolecule analysis chip 30 has a characteristic that light obliquely incident on a layer is totally reflected at an interface of the layer at a specific incident angle. This is the focus. In the present embodiment, the angle adjusting unit 202 is provided to separate laser light and fluorescence used for exciting the fluorescent dye and to set an incident angle at which the background of the excitation light does not increase during fluorescence observation. The height of the semiconductor laser 56 with respect to the biomolecule analysis chip 30 can be adjusted by adjusting the position of the mounting portion 35 with the Z-axis stage feed knob 208.

図2は、図1に示した蛍光画像撮影装置1の内部を説明するための模式図である。図2に示した構成は、本体55及びカメラ52を有するスマートフォン51、励起された蛍光部材が発生する光を集光する集光レンズである対物レンズ54、集光された光のうち、予め設定されている波長の光を選択的に透過する光フィルタである蛍光用干渉フィルタ53と、を備えている。なお、カメラ52は、オートフォーカス機能を有している。
蛍光用干渉フィルタ53は、図1に示したリング221を観察者が手前に引くことによってスライドし、取り出される。このような構成により、蛍光画像撮影装置1では観察される蛍光に応じて適正な蛍光用干渉フィルタ53を使用することができる。
FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the inside of the fluorescence image capturing apparatus 1 shown in FIG. The configuration shown in FIG. 2 includes a smartphone 51 having a main body 55 and a camera 52, an objective lens 54 that is a condensing lens for condensing light generated by the excited fluorescent member, and a preset among the condensed light. And a fluorescence interference filter 53 that is an optical filter that selectively transmits light of the specified wavelength. Note that the camera 52 has an autofocus function.
The fluorescence interference filter 53 slides out when the observer pulls the ring 221 shown in FIG. With such a configuration, the fluorescence image capturing apparatus 1 can use an appropriate fluorescence interference filter 53 according to the fluorescence to be observed.

生体分子解析チップ30は、対物レンズ54の略焦点距離にある位置に固定されている。生体分子解析チップ30は、図示するように、基板32とカバーガラス34とを有し、基板32には基板32のカバーガラス34に向かう面(以下、「表面」と記す)から表面に対する裏面(以下、単に「裏面」と記す)に向かって凹んだ複数の微細な穴であるマイクロウェル31が形成されている。マイクロウェル31は例えば開口部が直径5μmの円形を有している。マイクロウェルの直径や深さ、配置については、適宜決定することができる。   The biomolecule analysis chip 30 is fixed at a position substantially at the focal length of the objective lens 54. The biomolecule analysis chip 30 has a substrate 32 and a cover glass 34 as shown in the figure, and the substrate 32 has a surface facing the cover glass 34 of the substrate 32 (hereinafter referred to as “front surface”) and a back surface (hereinafter referred to as “front surface”). The microwell 31 is formed as a plurality of fine holes that are recessed toward the “rear surface”. The microwell 31 has, for example, a circular shape with an opening of 5 μm in diameter. The diameter, depth, and arrangement of the microwell can be determined as appropriate.

半導体レーザ56は、基板32の裏面からマイクロウェル31に対してレーザ光fを斜めに照射する。レーザ光fは、生体分子解析チップ30から対物レンズ54までの間を略平行光として進む。このため、蛍光用干渉フィルタ53に入射するレーザ光fは略平行光となり、蛍光用干渉フィルタ53はスペック通りの性能を発揮することができる。蛍光用干渉フィルタ53は、観察対象となる蛍光を透過すると共に、観察対象外の光の強度を10万分の1以下に弱めることができる。つまり、蛍光色素をレーザ光fによって励起する。励起した蛍光色素は、蛍光を放出して安定する。このとき、本実施形態の蛍光画像撮影装置では、レーザ光fに対する蛍光の選択比を1:10以上とすることができる。
さらに、本実施形態は、レーザ光fを基板32の裏面に向けて斜めに照射している。レーザ光fは、基板32の表面で全反射するため、レーザ光fが蛍光用干渉フィルタ53に直接入射することがなく、迷光を10万分の1以下にすることができる。
The semiconductor laser 56 irradiates the laser light f obliquely to the microwell 31 from the back surface of the substrate 32. The laser light f travels from the biomolecule analysis chip 30 to the objective lens 54 as substantially parallel light. For this reason, the laser beam f incident on the fluorescence interference filter 53 becomes substantially parallel light, and the fluorescence interference filter 53 can exhibit the performance as specified. The fluorescence interference filter 53 transmits the fluorescence to be observed and can reduce the intensity of light outside the observation target to 1 / 100,000 or less. That is, the fluorescent dye is excited by the laser light f. The excited fluorescent dye emits fluorescence and stabilizes. At this time, in the fluorescence image capturing apparatus of the present embodiment, the selection ratio of the fluorescence to the laser light f can be set to 1:10 7 or more.
Further, in the present embodiment, the laser light f is irradiated obliquely toward the back surface of the substrate 32. Since the laser light f is totally reflected on the surface of the substrate 32, the laser light f does not directly enter the fluorescence interference filter 53, and stray light can be reduced to 1 / 100,000 or less.

カメラ52は、蛍光用干渉フィルタ53を透過してきた光を撮影する。図3は、カメラ52によって撮影された蛍光画像を例示して示す図である。上記したように、本実施形態は、レーザ光fに対する蛍光の選択比が1:10以上であり、迷光が10万分の1となるので、撮影された蛍光画像には蛍光41だけが現れている。
なお、本実施形態は、カメラ52にスマートフォン51に内蔵されているカメラを使用している。しかし、本実施形態は、スマートフォン51のカメラを使用することに限定されるものでなく、オートフォーカスの機能を有するカメラであればどのようなカメラを使って生体分子解析チップ30を撮影するものであってもよい。なお、オートフォーカスに加えてマニュアルフォーカスの機能を有していればなお望ましい。また、蛍光用干渉フィルタ53をスライドさせて取り外し、他の蛍光用干渉フィルタに交換するようにしてもよい。このようにすれば、生体分子の処理に使用された蛍光に最適な蛍光用干渉フィルタを使用することができる。
The camera 52 photographs the light transmitted through the fluorescence interference filter 53. FIG. 3 is a diagram illustrating a fluorescent image captured by the camera 52 as an example. As described above, in the present embodiment, the selectivity ratio of the fluorescent light to the laser light f is 1:10 7 or more, and the stray light is 1 / 100,000. Therefore, only the fluorescent light 41 appears in the captured fluorescent light image. I have.
In the present embodiment, a camera built into the smartphone 51 is used as the camera 52. However, the present embodiment is not limited to the use of the camera of the smartphone 51, and any camera having an autofocus function is used to photograph the biomolecule analysis chip 30. There may be. It is more desirable to have a manual focus function in addition to the auto focus. Alternatively, the fluorescence interference filter 53 may be slid and removed, and replaced with another fluorescence interference filter. This makes it possible to use an interference filter for fluorescence that is optimal for the fluorescence used for processing the biomolecules.

(生体分子解析チップ)
図4は、本実施形態の生体分子解析チップ30を説明するための図であって、図4(a)は生体分子解析チップ30の上面図、図4(b)は生体分子解析チップ30の線分4b−4bに沿う断面図である。
上記したように、生体分子解析チップ30は、基板32、カバーガラス34を有している。基板32にはマイクロウェル31が形成されている。また、基板32とカバーガラス34との間にはスペーサ33挿入されている。スペーサ33は、基板32とカバーガラスの距離を規定すると共に、両者を接着している。
なお、本実施形態は、試料溶液に生体分子を含む構成に限定されず、どのような分子を解析する分子解析チップにも適用することができる。
(Biomolecule analysis chip)
4A and 4B are views for explaining the biomolecule analysis chip 30 of the present embodiment. FIG. 4A is a top view of the biomolecule analysis chip 30, and FIG. It is sectional drawing which follows the line segment 4b-4b.
As described above, the biomolecule analysis chip 30 has the substrate 32 and the cover glass 34. The substrate 32 has a microwell 31 formed therein. Further, a spacer 33 is inserted between the substrate 32 and the cover glass 34. The spacer 33 regulates the distance between the substrate 32 and the cover glass and adheres the two.
Note that the present embodiment is not limited to a configuration in which a sample solution contains a biomolecule, and can be applied to a molecular analysis chip for analyzing any molecule.

<基板>
基板32は、光透過性を有する基板である。透過性とは、マイクロウェル31内に封入された生体分子またはその周辺から発生する蛍光を透過できる性質を意味する。
公知の生体試料の標識に使われる蛍光は、通常、可視光領域である400nmから700nmの波長範囲に発光波長のピークを有することが多い。透過性を有する基板32は、例えばガラスであってもよいし、樹脂等であってもよい。基板32を樹脂基板とする場合、樹脂には、例えば、アクリロニトリル、ブタジエン、スチレン共重合合成樹脂(ABS樹脂)、ポリカーボネート、シクロオレフィンコポリマー(COC)、アクリル、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリ酢酸ビニル、PET(ポリエチレンテレフタレート)、PEN(ポリエチレンナフタレート)等がある。
<Substrate>
The substrate 32 is a substrate having optical transparency. Permeability refers to the property of transmitting the fluorescence generated from the biomolecule encapsulated in the microwell 31 or its surroundings.
Fluorescence used for labeling a known biological sample often has an emission wavelength peak in a wavelength range of 400 nm to 700 nm, which is a visible light region. The transparent substrate 32 may be, for example, glass or resin. When the substrate 32 is a resin substrate, for example, acrylonitrile, butadiene, styrene copolymer synthetic resin (ABS resin), polycarbonate, cycloolefin copolymer (COC), acryl, polyvinyl chloride (PVC), polystyrene, polyethylene , Polyvinyl acetate, PET (polyethylene terephthalate), PEN (polyethylene naphthalate) and the like.

また、基板32の裏面からマイクロウェル31内の生体分子の蛍光観察をするためには、基板32は透過性を有することに加えて、自家蛍光を発しないか、発しても自家蛍光が微弱であり蛍光観察に支障がない素材であることが好ましい。透過性を有し、かつ自家蛍光が観察対象の蛍光観察に支障がないほど、弱く無視できる素材としては、溶融合成石英ガラスがある。溶融合成石英ガラスは、溶融合成することにより天然の石英に含まれる不純物を精製した石英ガラスで、不純物による構造欠陥が取り除かれ、構造欠陥による発光中心が主な原因の自家蛍光を減少させることができる。溶融合成石英ガラスにおいて自家蛍光が発生した場合に、その自家蛍光は非常に微弱である。
また、観察すべき蛍光と自家発光との間に差異が生じ、蛍光の観察に支障が出ない素材としては、低蛍光ガラス、アクリル系樹脂、シクロオレフィンコポリマー(COC)等がある。
Further, in order to observe the fluorescence of the biomolecules in the microwell 31 from the back surface of the substrate 32, in addition to having transparency, the substrate 32 does not emit autofluorescence, or even if it emits, the autofluorescence is weak. It is preferable that the material does not hinder the fluorescence observation. A fused synthetic quartz glass is a material that has transparency and is so weak and negligible that auto-fluorescence does not hinder fluorescence observation of an observation target. Fused synthetic quartz glass is a fused quartz glass obtained by purifying impurities contained in natural quartz by melt synthesis.Structural defects due to impurities are removed, and auto-fluorescence mainly caused by emission centers due to structural defects can be reduced. it can. When auto-fluorescence occurs in fused synthetic quartz glass, the auto-fluorescence is very weak.
In addition, as a material that causes a difference between the fluorescence to be observed and the self-emission and does not hinder the fluorescence observation, there are low-fluorescence glass, acrylic resin, cycloolefin copolymer (COC), and the like.

基板32の厚みは、基板32の裏面から光学顕微鏡で蛍光を観察するため、1mm以下の厚さが好ましく、さらに好ましくは、0.17mmであればよい。基板32の厚みをこのような範囲にすることにより、生体分子解析チップ30において発生する蛍光を生物用対物レンズで観察できる。基板32の厚みは、0.5mmから0.7mm程度の範囲で特に問題がない場合が多く、適宜状況に応じて決定することができる。   The thickness of the substrate 32 is preferably 1 mm or less, more preferably 0.17 mm, in order to observe fluorescence from the back surface of the substrate 32 with an optical microscope. By setting the thickness of the substrate 32 in such a range, the fluorescence generated in the biomolecule analysis chip 30 can be observed with the biological objective lens. In many cases, the thickness of the substrate 32 is in the range of about 0.5 mm to about 0.7 mm without any problem, and can be appropriately determined according to the situation.

基板32の表面には、マイクロウェル31が形成されているマイクロウェル層36がある。マイクロウェル層36は、疎水性で、マイクロウェルの底面の基板32の表面は、親水性であり、したがってマイクロウェル31の側面は、疎水性であり、親水性と疎水性で表面が構成されている。マイクロウェル層36は、例えば、樹脂により作製される。疎水樹脂としては、例えば光感光性樹脂あるいは熱可塑性樹脂が利用できる。光感光性樹脂あるいは熱可塑性樹脂は基板32の材料と同様に、自家蛍光を全く発しないか、発しても微弱であり上記蛍光観察に支障がない素材であることが好ましい。
ネガ型の感光樹脂は、形状が出来た後に不活性化(光により、大きく構造が変化しない。光に反応しない)されていないと光架橋材が自家蛍光を発する恐れがあるので、熱処理等で不活性化する。感光樹脂を使用する場合、熱処理によって膜形状が「だれる」等の恐れがあるときには「だれ」を見越した上で露光、現像条件を決め、熱処理後に膜が希望の形状になるようにする。
On the surface of the substrate 32, there is a microwell layer 36 in which the microwell 31 is formed. The microwell layer 36 is hydrophobic, and the surface of the substrate 32 on the bottom surface of the microwell is hydrophilic. Therefore, the side surface of the microwell 31 is hydrophobic, and the surface is composed of hydrophilicity and hydrophobicity. I have. The microwell layer 36 is made of, for example, a resin. As the hydrophobic resin, for example, a photosensitive resin or a thermoplastic resin can be used. Like the material of the substrate 32, the photosensitive resin or the thermoplastic resin preferably emits no auto-fluorescence, or is weak even if it emits, and does not interfere with the fluorescence observation.
If the negative photosensitive resin is not inactivated (the structure is not significantly changed by light and does not react to light) after the shape is formed, the photo-crosslinking material may emit autofluorescence. Inactivate. In the case where a photosensitive resin is used, when there is a possibility that the film shape may "drip" due to the heat treatment, the exposure and development conditions are determined in anticipation of "whore" so that the film has a desired shape after the heat treatment.

マイクロウェル層36を構成する疎水層の材料としては、水に対する接触角が80°以上であり、好ましくは100°以上であることが好ましい。さらに、疎水層としては、オイルとのなじみ性も必要であり、水とオイルの両方に対して必要な性能を満たすことが要求される。このため、疎水層の材料は、上記数値に限定されるものではなく、他の材料との組み合わせによって適宜決定される。
具体的には例えば、マイクロウェル層を形成する疎水層は、光感光性樹脂のノボラック樹脂のうち低自家蛍光の材料を選んで形成することができる。光感光性樹脂は、光に反応する官能基があるため自家蛍光が微弱である材料を選択して、通常の蛍光観察に支障がないことを確認して、マイクロチャンバ層の疎水層として使用が可能となる。
The material of the hydrophobic layer constituting the microwell layer 36 has a contact angle with water of 80 ° or more, preferably 100 ° or more. Furthermore, the hydrophobic layer also needs to be compatible with oil, and is required to satisfy the required performance for both water and oil. For this reason, the material of the hydrophobic layer is not limited to the above numerical values, but is appropriately determined by a combination with another material.
Specifically, for example, the hydrophobic layer forming the microwell layer can be formed by selecting a material having low autofluorescence from a novolak resin of a photosensitive resin. Since the photosensitive resin has a functional group that reacts to light, select a material whose auto-fluorescence is weak and confirm that it does not interfere with normal fluorescence observation, and use it as the hydrophobic layer of the micro-chamber layer. It becomes possible.

<マイクロウェル>
図5(a)、(b)は、マイクロウェル31を説明するための図である。図5(a)はマイクロウェル31を基板32の表面の側から斜めに撮影して得られた画像である。また、図5(b)は、図5(a)に示したマイクロウェル31の1つを拡大して示した図である。図5(a)に示した複数のマイクロウェル31が形成された基板は、マイクロウェルの容器という意味でマイクロチャンバである。
図5(a)、図5(b)に示すように、本実施形態は、以降マイクロウェルの形状を、マイクロウェルの開口面を上面とし、穴の底面を底面とし、内周面を側面として形成される立体で表すものとする。
<Microwell>
FIGS. 5A and 5B are diagrams for explaining the microwell 31. FIG. FIG. 5A is an image obtained by photographing the microwell 31 obliquely from the surface side of the substrate 32. FIG. 5B is an enlarged view of one of the microwells 31 shown in FIG. 5A. The substrate on which a plurality of microwells 31 are formed as shown in FIG. 5A is a microchamber in the sense of a container for microwells.
As shown in FIGS. 5A and 5B, in the present embodiment, the shape of the microwell is hereinafter referred to as the opening surface of the microwell as the upper surface, the bottom surface of the hole as the bottom surface, and the inner peripheral surface as the side surface. It shall be represented by the formed solid.

マイクロウェル31は、1つのマイクロウェル31に1つもしくは数個の生体分子のみが収容される形状及び寸法を有している。複数のマイクロウェル31は同一間隔で縦横に配置されており、所定の個数のマイクロウェル31毎にさらに大きな間隔をあけてグループ毎に区分けをすることもできる。区分けされた1つのグループ内のマイクロウェルの数に制限はないが、例えば、100個から一万個の範囲とすることができる。
基板32に形成されるマイクロウェル31の総数は、例えば10万個から1000万個としてもよいが、測定したい試料溶液の種類によって適宜決定することができる。マイクロウェル31の総数に制限はないが、例えば、セルフリーDNAの変異を測定する場合、検出したい変異率は0.01%であるという観点から、1cm当たり、例えば、100万個から200万個の範囲で配置することが好ましい。
The microwell 31 has a shape and dimensions in which one microwell 31 accommodates only one or several biomolecules. The plurality of microwells 31 are arranged vertically and horizontally at the same interval, and a predetermined number of microwells 31 can be divided into groups at even larger intervals. The number of microwells in one divided group is not limited, but may be, for example, in the range of 100 to 10,000.
The total number of the microwells 31 formed on the substrate 32 may be, for example, 100,000 to 10,000,000, but can be appropriately determined depending on the type of the sample solution to be measured. Although the total number of microwells 31 is not limited, for example, when measuring the mutation of cell-free DNA, from the viewpoint that the mutation rate to be detected is 0.01%, for example, from 1 million to 2 million per cm 2 It is preferable to arrange them in a range.

マイクロウェル31は、図5(a)、(b)に示した角柱の形状に限定されるものではない。例えば、円筒形に形成されるものであってもよい。また、角柱であっても、上面及び底面の角の数がさらに少なくてもよい(例えば、直方体、六角柱、八角柱等)。また、マイクロウェル31の形状は、上面と底面とが等しい形状及びサイズを有するものに限定されるものではなく、円錐台や角錐台であってもよい。さらに、マイクロウェル31の底部は、曲面(凸面や凹面)であってもよい。
マイクロウェル31の形状や寸法は、マイクロウェル31に収容されるべき生体分子を含む試料溶液量や、生体分子が付着したビーズの大きさを考慮して、1つのマイクロウェル31に1つ、もしくは数個の生体分子が収容されるように、適宜決定される。
The microwell 31 is not limited to the prism shape shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b). For example, it may be formed in a cylindrical shape. Moreover, even if it is a prism, the number of corners of the upper surface and the bottom surface may be further smaller (for example, a rectangular parallelepiped, a hexagonal prism, an octagonal prism, and the like). Further, the shape of the microwell 31 is not limited to a shape having the same shape and size as the top surface and the bottom surface, and may be a truncated cone or a truncated pyramid. Further, the bottom of the microwell 31 may be a curved surface (a convex surface or a concave surface).
The shape and dimensions of the microwell 31 are one per microwell 31 in consideration of the amount of a sample solution containing a biomolecule to be accommodated in the microwell 31 and the size of the beads to which the biomolecule is attached, or It is determined appropriately so as to accommodate several biomolecules.

マイクロウェル31が円筒形の場合、その寸法は、例えば、上面及び底面が直径3μmから50μmの円であり、生体分子を含む試料溶液を封入する場合、好ましくは、上面及び底面の直径は3μmから10μmである。また、マイクロウェル31の深さは、例えば、3μmから50μmであり、好ましくは、3μmから5μmである。ただし、マイクロウェル31の寸法は、上述のように、マイクロウェル31に収容される生体分子を含む試料溶液量や、生体分子が付着したビーズの大きさとマイクロウェル31の寸法の好適な比を考慮して適宜決定される。   When the microwell 31 has a cylindrical shape, its size is, for example, a circle having a diameter of 3 μm to 50 μm on the top and bottom surfaces. When a sample solution containing biomolecules is sealed, the diameter of the top and bottom surfaces is preferably 3 μm to 3 μm. 10 μm. The depth of the microwell 31 is, for example, 3 μm to 50 μm, and preferably 3 μm to 5 μm. However, as described above, the dimensions of the microwell 31 are determined in consideration of the amount of the sample solution containing the biomolecules contained in the microwells 31 and the preferable ratio of the size of the beads to which the biomolecules are attached to the dimensions of the microwells 31. Is determined as appropriate.

<試料溶液>
本実施形態の蛍光画像撮影装置は、マイクロチャンバに収容された細胞から発せられる蛍光を、基板32の裏面の側から光学顕微鏡を用いても観察することが可能である。生体分子は、例えば、マイクロチャンバに収容される前に、観察の目的となる生体分子を特異的に標識し得る蛍光色素で処理することによって生体分子を蛍光標識してもよい。また、本実施形態では、生体分子を特異的に認識するビーズを用いて生体分子を補足することもできる。このような方法では、後にビーズをマイクロチャンバに収容し、生体分子を特異的に標識し得る蛍光色素と接触させて、生体分子をマイクロウェル内で蛍光標識する。
上記のように処理された生体分子は、マイクロウェル31内で蛍光を発生する。観察者は、基板の裏面側から例えば倒立顕微鏡を用いて蛍光を観察することができる。観察により、観察の目的となる生体分子の数を特定することができる。
<Sample solution>
The fluorescence image photographing apparatus of the present embodiment can observe the fluorescence emitted from the cells accommodated in the microchamber from the back surface side of the substrate 32 using an optical microscope. Before the biomolecule is housed in the microchamber, the biomolecule may be fluorescently labeled by treating it with a fluorescent dye capable of specifically labeling the biomolecule to be observed. In this embodiment, the biomolecules can be supplemented by using beads that specifically recognize the biomolecules. In such a method, the beads are subsequently housed in a microchamber and contacted with a fluorescent dye capable of specifically labeling the biomolecule, and the biomolecule is fluorescently labeled in the microwell.
The biomolecule treated as described above generates fluorescence in the microwell 31. The observer can observe the fluorescence from the back side of the substrate using, for example, an inverted microscope. By observation, the number of biomolecules to be observed can be specified.

マイクロウェルへの生体分子を含む試料溶液の封入は、試料溶液をマイクロウェル内に満たす工程と、試料溶液がウェル内に導入された後、オイルを送液してウェル内に試料溶液を封入する工程とによって行われる。マイクロウェル層の疎水層は、水に対する接触角が80°以上であることが好ましい。また、マイクロウェル層の疎水層は、さらに封入するオイルに対して、その接触角が10°以下であることが好ましく、特に、7°以下であることが好ましい。   The encapsulation of the sample solution containing the biomolecule in the microwell is performed by filling the sample solution into the microwell and, after the sample solution is introduced into the well, sending oil to enclose the sample solution in the well. Process. The hydrophobic layer of the microwell layer preferably has a contact angle with water of 80 ° or more. Further, the contact angle of the hydrophobic layer of the microwell layer with the oil to be further enclosed is preferably 10 ° or less, and particularly preferably 7 ° or less.

<LEDエッジライト>
図6は、生体分子解析チップ30のカバーガラス34、基板32の各々に対応して設けられるLEDエッジライト11a、11bを説明するための図である。図6(a)は、生体分子解析チップ30の上面図である。図6(b)は、図6(a)中に示した線分6b−6bに沿う断面図である。
図6に示したLEDエッジライト11aは、LEDチップ12a、光学部材であるプリズム13a及び樹脂部材であるアクリルブロック14aによって構成されている。具体的には、例えば、0.8mm×1.6mmのLEDチップ12aに、アクリル樹脂もしくは、BK7等の光学ガラスで作製したプリズム13aが接着されている。プリズム13aは、LEDチップ12aが発する光の方向を90度曲げる。さらに導光板の役目のアクリルブロック14aは、生体分子解析チップ30のカバーガラス34に密着されている。なお、プリズム13aのサイズは、一辺が2mm以下である。LEDエッジライト11bは、LEDエッジライト11aと同様に構成されていて、アクリルブロック14bが基板32に密着されている。
<LED edge light>
FIG. 6 is a diagram for explaining the LED edge lights 11a and 11b provided corresponding to the cover glass 34 and the substrate 32 of the biomolecule analysis chip 30, respectively. FIG. 6A is a top view of the biomolecule analysis chip 30. FIG. 6B is a sectional view taken along line 6b-6b shown in FIG. 6A.
The LED edge light 11a shown in FIG. 6 includes an LED chip 12a, a prism 13a as an optical member, and an acrylic block 14a as a resin member. Specifically, for example, a prism 13a made of acrylic resin or optical glass such as BK7 is adhered to a 0.8 mm × 1.6 mm LED chip 12a. The prism 13a bends the direction of the light emitted by the LED chip 12a by 90 degrees. Further, the acrylic block 14 a serving as a light guide plate is in close contact with the cover glass 34 of the biomolecule analysis chip 30. The size of the prism 13a is 2 mm or less on one side. The LED edge light 11b has the same configuration as the LED edge light 11a, and the acrylic block 14b is in close contact with the substrate 32.

カバーガラス34とアクリルブロック14aとの密着面に数10μmの厚みの光学透過性の良い樹脂を挟むことでアクリルブロック14aのエッジの破損を防ぐことができる。また、生体分子解析チップの基板32がガラス製である場合、アクリルブロック14bとの密着面に数10μmの厚みの光学透過性の良い樹脂を挟むことでアクリルブロック14bのエッジの破損を防ぐことができる。なお、ここで、ガラスとアクリルブロック14a、14bとの間に挟み込まれる樹脂としては、環状オレフィンポリマー(COP)、あるいは環状オレフィンコポリマー(COC)等が好適である。   The edge of the acrylic block 14a can be prevented from being damaged by sandwiching a resin having a thickness of several tens of μm and having good optical transparency on the contact surface between the cover glass 34 and the acrylic block 14a. Further, when the substrate 32 of the biomolecule analysis chip is made of glass, it is possible to prevent the edge of the acrylic block 14b from being damaged by sandwiching a resin having good optical transparency having a thickness of several tens of μm on the contact surface with the acrylic block 14b. it can. Here, as the resin sandwiched between the glass and the acrylic blocks 14a and 14b, a cyclic olefin polymer (COP) or a cyclic olefin copolymer (COC) is suitable.

図7(a)は、生体分子解析チップ30をサンプルホルダー207にセットした状態を示している。図7(b)は、図7(a)に示したLEDエッジライト11aを示している。図7(a)に示すように、LEDエッジライト11aにはディップスイッチ15aを介してバッテリー206が接続されている。また、LEDエッジライト11bにはディップスイッチ15bを介してバッテリー206が接続されている。LEDエッジライト11aは、ディップスイッチ15aのオン、オフによって点灯、消灯する。また、LEDエッジライト11bは、ディップスイッチ15bのオン、オフによって点灯、消灯する。
本実施形態のLEDエッジライト11a、11bは、超小型の樹脂モールド製のLEDに、例えば樹脂製の光ファイバー(例えば、直径が0.5mm程度の黒樹脂カバー付き)を接続させてさらにアクリルブロック14a、14bを接着したものでも良い。
FIG. 7A shows a state where the biomolecule analysis chip 30 is set on the sample holder 207. FIG. 7B shows the LED edge light 11a shown in FIG. As shown in FIG. 7A, a battery 206 is connected to the LED edge light 11a via a dip switch 15a. A battery 206 is connected to the LED edge light 11b via a dip switch 15b. The LED edge light 11a is turned on and off by turning on and off the dip switch 15a. The LED edge light 11b is turned on and off by turning on and off the dip switch 15b.
The LED edge lights 11a and 11b of the present embodiment are formed by connecting a resin optical fiber (for example, with a black resin cover having a diameter of about 0.5 mm) to an ultra-small resin molded LED and further forming an acrylic block 14a. , 14b may be bonded.

LEDチップ12aから照射された光Lは、図7(b)に示すように、プリズム13aにおいて90度の角度で屈折する。屈折した光は、アクリルブロック14aからマイクロチャンバに向かう。
図7に示すように、LEDエッジライト11aがカバーガラス34と接触する位置と、LEDエッジライト11bが基板32と接触する位置とは上面視において互いにずれている。接触位置は、同じである必要がなく、カバーガラスや基板といった層によって異なる方が個々の層に独立して光を当てられる点から好ましい。
The light L emitted from the LED chip 12a is refracted at an angle of 90 degrees in the prism 13a as shown in FIG. The refracted light travels from the acrylic block 14a to the micro chamber.
As shown in FIG. 7, the position where the LED edge light 11a contacts the cover glass 34 and the position where the LED edge light 11b contacts the substrate 32 are shifted from each other in a top view. The contact position does not need to be the same, and is preferably different depending on layers such as a cover glass and a substrate, since light can be independently applied to each layer.

また、図6、図7に示した本実施形態では、LEDエッジライト11aのカバーガラス34に対する方向と、LEDエッジライト11bの基板32に対する方向が同一である。しかし、本実施形態は、このような構成に限定されるものでなく、LEDエッジライト11a、11bの方向が互いに異なる構成も好ましい。
なお、サンプルホルダー207は、LEDチップ12aの光が生体分子解析チップ30のカバーガラス34にのみ入射し、LEDチップ12bの光が基板32にのみ入射するように設計されている。このようなサンプルホルダー207に生体分子解析チップ30をセットすることによってLEDエッジライト11a、11bとカバーガラス34、基板32とをアライメントすることができる。
In the present embodiment shown in FIGS. 6 and 7, the direction of the LED edge light 11a with respect to the cover glass 34 and the direction of the LED edge light 11b with respect to the substrate 32 are the same. However, the present embodiment is not limited to such a configuration, and a configuration in which the directions of the LED edge lights 11a and 11b are different from each other is also preferable.
The sample holder 207 is designed so that light from the LED chip 12a is incident only on the cover glass 34 of the biomolecule analysis chip 30 and light from the LED chip 12b is incident only on the substrate 32. By setting the biomolecule analysis chip 30 in such a sample holder 207, it is possible to align the LED edge lights 11a and 11b with the cover glass 34 and the substrate 32.

<蛍光画像撮影方法>
図8は、本実施形態の蛍光画像撮影装置で行われる蛍光画像の撮影方法を説明するための図である。なお、図8に示した手順は、蛍光画像撮影装置を使って撮影者が手動で行っている。
本実施形態では、先ず、ステップS1において、生体分子解析チップの観察したい基板またはカバーガラスに対応するLEDエッジライトを点灯し、カメラのオートフォーカス機能を使ってカバーガラス表面にピントを合わせる。
<Fluorescence image capturing method>
FIG. 8 is a diagram for explaining a method of capturing a fluorescent image performed by the fluorescent image capturing apparatus of the present embodiment. Note that the procedure shown in FIG. 8 is manually performed by a photographer using a fluorescent image photographing apparatus.
In the present embodiment, first, in step S1, the LED edge light corresponding to the substrate or cover glass of the biomolecule analysis chip to be observed is turned on, and the autofocus function of the camera is used to focus on the surface of the cover glass.

ステップS1においてピントが合った後、撮影者は、ステップS2により、カメラのピントを固定する。そして、点灯しているLEDエッジライトを消灯する。撮影者は、ステップS3により、半導体レーザのレーザ光をLED解析チップに照射しながらカバーガラス表面を撮影する。
以上説明した手順によって撮影すれば、蛍光の強度が低くて暗い画像でも、後の画像処理で画像を取得できることが考えられる。具体的には、本実施形態により、ピントの合った複数の画像を撮影し、画像処理を行って熱雑音等のランダムに発生しているノイズに埋もれた画像を抽出することができる。
After focusing in step S1, the photographer fixes the focus of the camera in step S2. Then, the lit LED edge light is turned off. In step S3, the photographer photographs the surface of the cover glass while irradiating the LED analysis chip with the laser light of the semiconductor laser.
By taking an image according to the above-described procedure, it is conceivable that even a dark image with low fluorescence intensity can be acquired by image processing later. Specifically, according to the present embodiment, it is possible to capture a plurality of focused images and perform image processing to extract an image buried in randomly generated noise such as thermal noise.

以上説明した本実施形態の蛍光画像撮影装置、分子解析チップ及び蛍光画像撮影方法は、分子解析チップの任意の位置に焦点を合わせることができる。
特に、本実施形態は、生体分子解析チップの端面にLEDエッジライトを設け、基板32、カバーガラス34の各々に独立にLED光を照射している。このため、基板32、カバーガラス34の各層へオートフォーカスでピントを合わせることができる。特に本発明で使用する生体分子解析チップは、蛍光を発生する基板32の表面と、基板32の端面(サイド)から照射されたLED光によって光るマイクロウェルが形成された面が同じなので、蛍光に焦点を合わせることが可能となった。
また、本実施形態は、サンプルホルダー207に固定された状態のカメラ52の生体分子解析チップ30に対する相対的な距離をZ軸用ステージ送りツマミ208を使って変更することができるので、焦点を微調整し、確実にピントを合わせることが可能となる。
The fluorescent image capturing apparatus, the molecular analysis chip, and the fluorescent image capturing method of the present embodiment described above can focus on an arbitrary position of the molecular analysis chip.
In particular, in this embodiment, an LED edge light is provided on the end surface of the biomolecule analysis chip, and the substrate 32 and the cover glass 34 are independently irradiated with LED light. For this reason, each layer of the substrate 32 and the cover glass 34 can be focused by autofocus. In particular, in the biomolecule analysis chip used in the present invention, the surface of the substrate 32 that generates fluorescence is the same as the surface on which the microwell that shines by the LED light emitted from the end face (side) of the substrate 32 is the same. It is now possible to focus.
Further, in the present embodiment, the relative distance of the camera 52 fixed to the sample holder 207 with respect to the biomolecule analysis chip 30 can be changed by using the Z-axis stage feed knob 208, so that the focus can be finely adjusted. It is possible to adjust the focus and to surely focus.

(第1実施例)
本発明の発明者は、図1に示したサンプルホルダーとスマートフォンとを組み合わせた蛍光画像撮影装置を作製した。なお、蛍光画像撮影装置では、LEDエッジライトに、日亜化学工業株式会社(メーカー名)製の0.8mm×1.6mmの白色LEDエッジライトと、特注したプラステチックプリズムを用いた。このようなLEDエッジライトは、生体分子解析チップを構成しているカバーガラスと基板とをそれぞれ選択してLED光を照射する。そして、図8に示した手順でカバーガラスと基板とを別々に撮影した。
基板の表面には、直径約5μmのマイクロウェルが規則正しく整列している。基板表面はLEDエッジライトで照明されて光り、その面にスマートフォンのカメラのソフトウェアを使って焦点を固定にセットする。その後、LEDエッジライトを消灯し、レーザ光を基板の斜め後方から照射し、焦点の合った、暗い蛍光が映っている画像を撮影することができた。前記した図3は、以上の手順によって撮影された画像である。
(First embodiment)
The inventor of the present invention has produced a fluorescent image capturing apparatus in which the sample holder shown in FIG. 1 and a smartphone are combined. In the fluorescent image capturing apparatus, a 0.8 mm × 1.6 mm white LED edge light manufactured by Nichia Corporation (manufacturer) and a custom-made plastic prism were used as the LED edge light. Such an LED edge light irradiates LED light by selecting a cover glass and a substrate constituting a biomolecule analysis chip, respectively. Then, the cover glass and the substrate were separately photographed according to the procedure shown in FIG.
Microwells having a diameter of about 5 μm are regularly arranged on the surface of the substrate. The surface of the substrate is illuminated by an LED edge light, and the surface is set to a fixed focus using the software of a smartphone camera. After that, the LED edge light was turned off, and the laser light was irradiated obliquely from behind the substrate, so that an in-focus image with dark fluorescence was captured. FIG. 3 described above is an image captured by the above procedure.

(第2実施例)
第2実施例は、LEDエッジライトを点灯してカメラのピントをカバーガラスや基板に合わせ、固定するまでは、第1実施例と同様である。次に、第2実施例は、カメラの生体分子解析チップに対する相対的な距離をZ軸用ステージ送りツマミを使って変更し、複数の距離でカバーガラスや基板の表面にカメラのピントを合わせる。このような第2実施例は、複数の任意のピント位置においてカバーガラスや基板表面の撮影を可能にした。
拡大倍率は、大きい場合に対物レンズと被写体までの距離が短くなる。このため、レンズの中心部と外周部では、ピントにズレが生じ得る。第2実施例は、複数のピント位置において画像を撮影することにより、同心円上にピントの合った画像を得ることができる。
(Second embodiment)
The second embodiment is the same as the first embodiment until the LED edge light is turned on, the camera is focused on the cover glass or the substrate, and fixed. Next, in the second embodiment, the relative distance of the camera to the biomolecule analysis chip is changed using the Z-axis stage feed knob, and the camera is focused on the surface of the cover glass or the substrate at a plurality of distances. In the second embodiment, the cover glass and the substrate surface can be photographed at a plurality of arbitrary focus positions.
When the magnification is large, the distance between the objective lens and the subject becomes short. For this reason, the focus may be deviated between the central portion and the outer peripheral portion of the lens. In the second embodiment, an image focused on concentric circles can be obtained by photographing images at a plurality of focus positions.

以上説明した本発明の蛍光画像撮影装置は、医療用コンパクト機器、また病院等のベットサイドで用いることができ、例えば、一分子生体物質検出に用いられる微小容量すなわちピコリットル以下の体積の蛍光修飾された試料溶液または試料液滴のアレイの蛍光画像撮影を行うことができる。   The fluorescence image capturing apparatus of the present invention described above can be used in a medical compact device or a bedside of a hospital or the like. For example, the fluorescence modification of a small volume, that is, a picoliter or less volume used for detection of a single molecule biological substance can be used. A fluorescence image of the array of the sample solution or the sample droplet thus obtained can be taken.

1 蛍光画像撮影装置
11a,11b エッジライト
12a,12b LEDチップ
13a,13b プリズム
14a,14b アクリルブロック
15a,15b ディップスイッチ
30 生体分子解析チップ
31 マイクロウェル
32 基板
33 スペーサ
34 カバーガラス
35 載置部
36 マイクロウェル層
41 蛍光
51 スマートフォン
51a 固定部
52 カメラ(スマートフォン内蔵)
53 蛍光用干渉フィルタ
54 対物レンズ
56 半導体レーザ
202 角度調整部
203 レーザバッテリー接続部
204 バッテリー電源ボタン
205 バッテリー充電ポート
206 バッテリー
207 サンプルホルダー
208 Z軸用ステージ送りツマミ
209 クランプ(Z軸ステージ固定用)
210 マイクロメータヘッド
221 リング(サンプルホルダー引き出し用取っ手)
310 面
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fluorescence image imaging device 11a, 11b Edge light 12a, 12b LED chip 13a, 13b Prism 14a, 14b Acrylic block 15a, 15b Dip switch 30 Biomolecular analysis chip 31 Microwell 32 Substrate 33 Spacer 34 Cover glass 35 Mounting part 36 Micro Well layer 41 Fluorescence 51 Smartphone 51a Fixed part 52 Camera (Smartphone built-in)
53 Fluorescence interference filter 54 Objective lens 56 Semiconductor laser 202 Angle adjustment unit 203 Laser battery connection unit 204 Battery power button 205 Battery charging port 206 Battery 207 Sample holder 208 Z-axis stage feed knob 209 Clamp (for fixing Z-axis stage)
210 Micrometer head 221 ring (handle for extracting sample holder)
310 faces

Claims (6)

蛍光部材を含む試料溶液を保持した分子解析チップを載置する載置部と、
オートフォーカス機能を有する撮影装置を固定する固定部と、
前記固定部に対する前記載置部の相対的な距離を調整する距離調整部と、
前記距離調整部によって距離が調整された前記載置部上の前記分子解析チップに前記蛍光部材を励起する光を照射する光照射部と、
前記光照射部が照射する前記光の入射角度を設定する角度調整部と、
を備え
前記光照射部は、前記分子解析チップの前記撮影装置側の面とは反対側の面である光照射面に対して斜め方向から前記光を照射することを特徴とする蛍光画像撮影装置。
A mounting portion for mounting a molecular analysis chip holding a sample solution containing a fluorescent member,
A fixing unit for fixing a photographing device having an autofocus function,
A distance adjustment unit that adjusts a relative distance of the placement unit with respect to the fixing unit,
A light irradiation unit that irradiates the molecular analysis chip on the placement unit with the distance adjusted by the distance adjustment unit with light that excites the fluorescent member;
An angle adjustment unit that sets an incident angle of the light irradiated by the light irradiation unit,
Equipped with a,
The fluorescence image capturing apparatus, wherein the light irradiating unit irradiates the light from a diagonal direction to a light irradiating surface of the molecular analysis chip, which is a surface opposite to the surface on the imaging device side .
前記光照射部によって光が照射された蛍光部材が発生する光を集光する集光レンズと、前記集光された光のうち、予め設定されている波長の光を選択的に透過する光フィルタと、を備えることを特徴とする請求項1に記載の蛍光画像撮影装置。   A condenser lens for condensing light generated by the fluorescent member irradiated with light by the light irradiator, and an optical filter for selectively transmitting light of a preset wavelength among the condensed light The fluorescence image capturing apparatus according to claim 1, comprising: 前記光フィルタは、交換可能であることを特徴とする請求項2に記載の蛍光画像撮影装置。   The fluorescence image capturing apparatus according to claim 2, wherein the optical filter is replaceable. 前記分子解析チップは、前記撮影装置側に位置するカバーガラスと、前記撮影装置側とは反対側に位置する基板と、前記カバーガラスと前記基板との間に位置し、生体分子を収容可能なマイクロウェルを少なくとも1つ有するマイクロウェル層と、を備え、The molecular analysis chip is a cover glass located on the imaging device side, a substrate located on the opposite side to the imaging device side, and located between the cover glass and the substrate, and can accommodate biomolecules. A microwell layer having at least one microwell,
前記光照射部からの光を、前記基板の前記撮影装置側とは反対側から、前記マイクロウェルに向かって斜めに照射することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の蛍光画像撮影装置。The light from the light irradiating unit is irradiated obliquely toward the microwell from the side of the substrate opposite to the imaging device side, according to any one of claims 1 to 3, wherein The fluorescent image capturing apparatus according to the above.
複数の層を有する分子解析チップにおいて発生する蛍光を撮影する蛍光撮影方法であって、
前記分子解析チップの前記層のうち一の層に光学素子が発した光を照射する工程と、
前記光が照射された前記層にカメラの焦点を合わせる工程と、
前記カメラのオートフォーカス機能を使って前記焦点を固定する工程と、
前記分子解析チップの前記カメラ側の面とは反対側の面である光照射面に、前記蛍光を発生させるための光を、前記分子解析チップを構成する層の界面で全反射するように前記光照射面に対して斜め方向から照射する工程と、
前記カメラを前記分子解析チップに対して相対的に移動させ、前記分子解析チップの任意の位置にカメラの焦点を合わせる工程と、を含むことを特徴とする蛍光画像撮影方法。
A fluorescence imaging method for imaging fluorescence generated in a molecular analysis chip having a plurality of layers,
Irradiating one of the layers of the molecular analysis chip with light emitted by an optical element,
Focusing a camera on the layer irradiated with the light,
Fixing the focus using an autofocus function of the camera;
On the light irradiation surface, which is the surface opposite to the camera-side surface of the molecular analysis chip, the light for generating the fluorescent light is totally reflected at the interface between the layers constituting the molecular analysis chip. Irradiating the light irradiation surface from an oblique direction,
Moving the camera relative to the molecular analysis chip and focusing the camera at an arbitrary position on the molecular analysis chip.
前記焦点を固定した後に、前記光学素子を消灯する工程をさらに含み、After fixing the focus, further comprising a step of turning off the optical element,
前記光学素子を消灯した後に、前記蛍光を発生させるための光を照射することを特徴とする請求項5に記載の蛍光画像撮影方法。6. The fluorescence image capturing method according to claim 5, wherein after the optical element is turned off, light for generating the fluorescence is irradiated.
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