JPH0425758A

JPH0425758A - 蛍光パターン読み取り方法および装置

Info

Publication number: JPH0425758A
Application number: JP2132047A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Fujimiya; 仁藤宮; Naganori Nasu; 永典奈須
Original assignee: Hitachi Software Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Software Engineering Co Ltd
Priority date: 1990-05-22
Filing date: 1990-05-22
Publication date: 1992-01-29
Anticipated expiration: 2013-12-24
Also published as: JP2841103B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、蛍光パターン読み取り方法および装置に関し
、特に、蛍光物質によりｊＩｓｍされた試料に対して電
気泳動を行って泳動パターンに展開した後、泳動パター
ンの蛍光物質を励起して蛍光を発光させ、発光する蛍光
パターンを読み取る蛍光パターン読み取り方法および装
置に関するものである。

〔従来の技術〕

一般に、ＤＮＡシーケンシング（遺伝子の塩基配列決定
）を含む種々の遺伝子構造解析、アミノ酸等の蛋白の質
量分析、高分子の構造分析を行うために、放射性アイソ
トープ標識による電気泳動分析法が用いられる。このよ
うな電気泳動分析法は、放射性アイソトープで標識した
試料の断片に対してゲルを用いて電気泳動を行い、電気
泳動で展開された試料の断片の分布パターンをＸ線フィ
ルムに転写した後に解析を行うことにより、試料の分析
を行う方法である。

一方、近年のレーザなどの光源技術の進展により、放射
性アイソトープに替えて蛍光物質で１ＩＩＡｆｆｌする
蛍光法による電気泳動分析法が開発されてきた。蛍光法
による電気泳動パターン読み取り装置は、危険で高価な
放射性アイソトープを必要としない利点を有している。

しかしながら、放射性アイソトープによる電気泳動分析
法と等価な信号対雑音比（ＳＮ比）を得るためには、高
度な光学系の技術や信号処理技術が要求される。

非常に微弱な光量の光パターンを読み取る読み取り装置
の一例として、蛍光色素の分布パターンを読み取る蛍光
式電気泳動パターン読み取り装置がある。ここでは、背
景ノイズと検出する微弱な光量の光パターンを区別して
、光パターンを読み取るために、光学フィルタ、２次元
のイメージインテンシファイア、光電子増倍管などの高
感度の光センサが用いられる。

蛍光標識による電気泳動パターン読み取り装置の代表例
として、最も感度を必要とする種類のＤＮＡシーケンシ
ング装置を例として説明する。ＤＮＡシーケンシング装
置を用いて、ＤＮＡシーケンシングを行う場合、構造を
決定しようとするＤＮＡの試料は、まず、制限酵素によ
って各塩基の部所に特異的な化学反応の反応率をコント
ロールして試料を断片化し、蛍光物質で標識してフラグ
メント（断片）とする。このフラグメントは、種々の長
さを持ち、かつ、切断端にアデニン、シトシン、グアニ
ン、チミン（Ａｄｅｎｉｎ、　Ｃｙｔｏｓｉｎｅ、　Ｇ
ｕａｎｉｎｅ、　Ｔｈｉ＋１ｉｎｅ　；以下、Ａ、Ｃ，
Ｇ、Ｔと略称する）の４種のいずれかの特定の塩基を有
する断片である。フラグメント化されたＡ、Ｃ，Ｇ、Ｔ
の各々のＤＮＡの試料は、電気泳動によりその断片の長
さに対応して分離できるので、電気泳動を行い、各断片
を分離した後、レーザ光を照射し、各断片に標識されて
いる蛍光物質を励起し、その蛍光物質から発する蛍光の
強度分布を測定することにより、各々の塩基の配列を読
み取り、ＤＮＡの構造を決定する。

第１２図は、電気泳動を行ったＤＮＡ断片の分布例を示
す図である。ＤＮＡ断片の持つ長さの相違（分子量の差
）により電気泳動される距離が異なるために、各々のＤ
ＮＡ断片が時間の経過と共に同一分子量のＤＮＡ断片毎
に集まり、第１２図に示すように、各々の分子量に対応
して、各々のバンド６６が形成される。全体としては、
各々の塩基のレーン７１７２．７３．７４に展開された
バンド６６を有する電気泳動パターン７０となる。各バ
ンドにおける試料の量は、１０−”ｍｏｌと非常に微量
である。この電気泳動パターン７０は、各々の分子量に
対応して、各々のバンド６６が展開されて形成されるも
のである。Ａ、Ｃ，Ｇ、Ｔの各塩基のＤＮＡ断片には必
ず１塩基以上の分子量差が生ずるため、電気泳動される
距離が、各々の塩基のレーン７１゜７２．７３．７４の
バンド毎にすべて異なる。したがって、Ａ、Ｃ，Ｇ、Ｔ
の各塩基のレーン７１〜７４における各バンド６６が原
理的にレーンのバンドと横一列に並ぶことはない。ＤＮ
Ａシーケンシングでは、バンド６６の順番をＡ、Ｃ，Ｇ
、Ｔの各塩基のレーン７１〜７４に対して下から順にた
どるパターン読み取りを行い、ＤＮＡの配列を解析する
。

電気泳動法による分析法は、上述のように、各々のＤＮ
Ａの塩基の配列を解析するＤＮＡシーケンシング装置に
利用されるが、また、電気泳動法による分析法は、他の
試料に対して電気泳動を行う場合も同様に利用できる。

この場合、解析すべき試料に対して電気泳動を行う。解
析すべき試料に電気泳動を行うと、試料は各々の分子量
または溶媒中における試料の電荷量に対応して分離され
、それぞれにバンドが形成されるので、形成されたバン
ドの分布を読み取り、試料の分子量の差が判定できる。

また、電気泳動による試料の断片の泳動距離の測定、所
定位置のバンドの有無の判定により、分子量の推定や所
定の分子の有無が判定できる。

このような電気泳動による分析を行う場合、ベースとな
るゲルに蛍光物質を標識した試料に注入し、ゲルに電気
泳動を行うと、電気泳動を行った後のゲルには、試料の
各々の分子量の相違により分布するバンド分布ができる
ので、このバンド分布を測定する。バンド分布の測定は
、蛍光物質に励起を起こす励起光となるレーザ光やラン
プなどの光を発光して、この光を電気泳動を行ったゲル
に照射し、これによりゲルから発光された蛍光を光電変
換素子で検出することによって、バンドの分布パターン
を測定する。ゲルとしては、例えば。

ポリアクリルアミドゲルや、アガロースゲルなどが用い
られる。

この種の蛍光検出法による電気泳動装置の一例として、
特開昭６１−６２８４３号公報に記載された電気泳動装
置がある。

次に、このような蛍光検出法による電気泳動装置につい
て具体的に説明する。

第８図は、従来の蛍光式電気泳動装置の外観を示す斜視
図である。第８図を参照すると、電気泳動装置は、試料
の電気泳動を行い、蛍光の分布を計測する泳動計測装置
５１と、計測したデータを基にデータ処理を行うデータ
処理装置５２と、それら相互を接続するケーブル５３と
から構成されている。

泳動計測装置５１には扉５１ａがあり、扉５１ａを開い
て、ＤＮＡ断片の電気泳動を行うベースとなるゲルの注
入を行い、更に電気泳動を行う試料の所定量を注入する
。扉５１ａを閉じて、操作表示パネル５１ｂの泳動開始
スイッチを押すと電気泳動が開始される。電気泳動が開
始されると、泳動計測装置５１では、操作表示パネル５
１ｂにあるモニタに動作状態が表示される。計測された
データは、データ処理装置５２に転送され、予めプログ
ラムされている所定のデータ処理が行われる。データ処
理装置５２は、計算機本体５４と、利用者からの指令な
どを入力するためのキーボード５５と、処理状態や結果
を表示するデイスプレィ装置５６と、処理の結果などを
記録するプリンタ５７とから構成されている。

第９図は、泳動計測装置の内部の構成を示すブロック図
である。泳動計測装置ｔ（５１；第８図）の構成は、第
９図に示すように、電気泳動装置部６３および信号処理
装置部６４から構成されており、二の２つ部分がまとめ
られて、泳動計測装置の全体の装置を構成している。電
気泳動装置部６３は、電気泳動を行う泳動部５と、泳動
部５に電圧を印加するための第１電極２ａおよび第２電
極２ｂと、泳動部５および各電極２ａ、２ｂを支えるた
めの支持板３と、泳動部５に電圧を印加するための電気
泳動用電源装置４と、蛍光物質を励起するための光を発
光する光ｇ１１と、光源１１からの光を導くための光フ
ァイバ１２と、蛍光物質から発生した蛍光１３を集光し
て受光する光学系の集光器１４と、特定波長の光を選択
的に通す光学フィルタ１５と、受光した光を電気信号に
変換するための光センサ１６とから構成されている。ま
た、信号処理装置部６４は、光センサ１６からの電気信
号を受けて増幅する増幅器１７と、電気信号のアナログ
信号をディジタルデータに変換するアナログ・ディジタ
ル変換回路１８と、ディジタル変換したデータに対して
加算平均処理等の前処理を行う信号処理部１９と、前処
理したデータを外部のデータ処理装置へ送出するインタ
ーフェース処理を行うインタフェース２０と、電気泳動
装置部および信号処理系の全体を制御するための制御回
路１０とから構成されている。この信号処理装置１６４
から出力されるディジタル信号○ＵＴは、データ処理装
置（５２；第８図）に送られ。

解析処理などのデータ処理が行われる。

次に、このように構成された電気泳動装置の動作を説明
する。

第８図および第９図を参照する。泳動計測装置５１にあ
る扉５１ａを開き、内部にある泳動部５にゲルを注入し
、更に蛍光物質で標識したＤＮＡ断片の試料を注入する
。操作パネルｓｔｂのスイッチを操作して、電気泳動開
始を指示すると、電気泳動用電源装置４からの電圧が電
極２ａ、２ｂにより泳動部５に供給されて電気泳動が開
始される。電気泳動によって、蛍光物質で標識された試
料は、例えば、第１２図に示すように、各々の試料のレ
ーン７１．７２．７３．７４において電気泳動され、試
料に含まれる分子の分子量毎に集まり、それぞれにバン
ド６６を作る。分子量の軽い分子はど泳動速度が速いた
め、同一時間内に泳動される距離は大きい。これらのバ
ンド６６の検出は、第１０ａ図に示すように、光源から
の光を光ファイバ１２に通して導き、泳動部５の横方向
からゲルに対して光路６１上で照射することにより、ゲ
ル中でバンド６６に集まっている標識の蛍光物質に蛍光
１３を発生させて行う。発生する蛍光は、蛍光物質の吸
光係数、量子効率、励起光の強度などによるが、バンド
当り、１０−”＋ｏｌ程度と非常に微量な量しか蛍光物
質が含まれていないため、非常に微弱な光となる。例え
ば、蛍光物質として、フレオレセインイソチオシアネー
ト（Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｉｎ　ｌ５ｏｔｈｉｏｃｙａｎ
ａｔｅ）を使用した場合について説明すると、フレオレ
セインイソチオシアネートは、励起光の励起波長のピー
クが４９０ｎｍ、蛍光波長のピークが５２００■である
。モル吸光係数は７　Ｘ　１０’ｍｏｌ−１・ｃｍ−１
であり、量子効率は　０．６５程度である。

１バンド内に１０−”＋ｏｌの蛍光物質が存在する場合
、励起光に波長４８８ｎｍで出力１ｍｌ＋１のアルゴン
イオンレーザを使用した場合に発生する蛍光の光量は、
ゲルの厚みなどで異なるが、１０”個／Ｓオーダの蛍光
の光子が発生する。更に、発生した蛍光は、全周方向に
拡がるため、集光レンズを見込む立体角相当の光が光電
変換される。したがって、一般のＣＯＤ固体撮像素子カ
メラなどで直接に受光することは困難である。

なお、泳動部５は、その正面図を第１０ａ図に。

その縦断面図を第１０ｂ図に示すように、ポリアクリル
アミドなどのゲル５ａと、該ゲル５ａを両側から狭んで
支えるためのガラスの支持板５ｂ。

５ｃとから構成されている。泳動部５のゲル５ａに上部
から例えばＤＮＡ断片の試料を注入し、第１電極２ａお
よび第２電極２ｂ（第９図）に泳動電圧を印加して、電
気泳動を行う。光源から照射された光、例えばレーザ光
は、光ファイバ１２からゲル５ａ中の光路６１を通り、
光路６１上の蛍光物質を照射する。これにより、光路６
１上に存在する蛍光物質が励起されて蛍光１３を発する
。蛍光１３はレンズの組合せで構成される光学系の集光
器１４に到達し、集光された後に光学フィルタ１５で選
択され、一次元の光センサ１６において電気信号に変換
される。光センサ１６では、微弱な光を効率よく電気信
号に変換するため、イメージインテンシファイアなどを
用いて、１０４〜１０５倍に光増幅し、その画像をＣＯ
Ｄの一次元光センサなどで電気信号に変換している。光
センサ１６により得られた電気信号は、増幅器１７によ
り希望するレベルの信号に増幅され、アナログ・ディジ
タル変換回路１８によりアナログ・ディジタル変換され
、信号処理部１９へ送られる。信号処理部１９では、信
号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）を向上させるために加算平均処
理等の信号処理が行われる。このようにして信号処理さ
れたディジタル信号のデータは、インタフェース２０に
より、データ処理部！５２に送出される。

第１１ａ図および第１１ｂ図は、泳動計測装置５１から
送出されるＤＮＡ断片の蛍光強度パターン信号の例を説
明する図である。例えば、第１１ａ図に示されるように
、電気泳動が行われた泳動部５に対して光路６１上でレ
ーザ光が照射されると、光路６１上に存在するゲルの蛍
光物質が励起されて、蛍光を発するので、この蛍光を、
レーン毎に所定の検品位置で電気泳動方向６２の方向に
時間の経過と共に検出する。これにより、各レーンのバ
ンド６６が光路６１上の位置を通過する時に、蛍光が検
出されることになり、１つのレーンにおける蛍光強度の
パターン信号が、第１１ｂ図に示すように、検出される
。このため、バンド６６が光路６１上の位置を通過する
ときに、蛍光強度のピークが得られる。したがって、第
１１ｂ図に示す蛍光強度パターン信号は、電気泳動方向
６２の方向におけるバンド６６の蛍光強度パターン信号
となっている。

データ処理装置５２では、計算機本体５４により泳動計
測装置５１から送出されるＤＮＡ断片の蛍光強度パター
ン信号のデータを受けて、蛍光強度パターンのデータか
ら分子量の比較やＤＮＡの塩基配列を決定するデータ処
理を行う。データ処理を行い決定された塩基等の並びは
、記号化して出力され、デイスプレィ装置１５６により
画面表示し、またはプリンタ５７により印刷品力される
。また、データ処理された結果のデータは、必要に応じ
て磁気記憶媒体に記録される。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、上述したような蛍光検出法による電気泳動パ
ターン読み取り装置においては、試料から発生する非常
に微弱な蛍光の分布パターンを励起光などの散乱光の背
景ノイズから区別して読み取るため、光学フィルタを用
い、また、１次元または２次元のイメージインテンシフ
ァイアで受光して光増幅し、更に高感度のＣＣＤなどの
１次元の光センサを用いて、光パターン信号を電気信号
に変換する必要がある。このため、１次元または２次元
で光増幅するイメージインチシイファイアなどの光増幅
系と、ＣＯＤなどの高感度の１次元で受光する光センサ
系とを組合せた受光部が必要となる。

しかしながら、１次元または２次元で光増幅し受光する
イメージインチシイファイアおよびＣＣＤの光センサを
組み合せた１次元または２次元の受光部は、ポイント型
の光電子増倍管に比較して、非常に高価であり、電気泳
動パターン読み取り装置のコストが高くなるとなるとい
う問題がある。

また、ＣＣＤの光ンサは、読み取り試料サイズに比べて
小さいため、読み取りサンプル（試料）の中央部と両端
部とでは、センサからの距離と見込む角度が異なる。こ
のため、読み取るための検出感度は、中央部が高く、両
端部で低くなるムラが生ずる別の問題がある。

本発明は、これらの問題を解決するためになされたもの
である。

本発明の目的は、非常に微弱な蛍光パターンを高感度に
読み取ることできる安価な蛍光パターン読み取り方法お
よび装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、本発明の蛍光パターン読み取
り方法は、蛍光物質により標識された試料に対して電気
泳動を行い、該蛍光物質を励起して蛍光を発光させ１発
光する蛍光パターンを読み取る蛍光パターン読み取り方
法であって、光透過率を制御できる複数の区画を有する
光シャッタを蛍光パターンの読み取り方向に配設し、該
光シャッタの各区画の光透過率を変えて、光シャッタか
らの透過光を集光して受光し、光シャッタの各区画の光
透過率と集光した受光強度により、光シャッタの各区画
における受光量を求める演算を行い、蛍光パターンを読
み取ることを特徴とする。

また、蛍光物質により標識された試料に対して電気泳動
を行って泳動パターンに展開した後、泳動パターンの蛍
光物質を励起して蛍光を発光させ、発光する蛍光パター
ンを読み取る蛍光パターン読み取り装置において、蛍光
パターンの読み取り方向に配設した複数の区画の光透過
率を制御できる光シャッタと、該光シャッタの各区画の
光透過率を変えて蛍光パターンの読み取りを制御する読
取り制御装置と、光シャッタの各区画からの光を集光し
て受光する光電センサとを有することを特徴とする。

ここでの光シャッタは例えば、各区画の光透過率を制御
できる液晶シャッタであり、光センサは例えば、ポイン
ト型の光電子増倍管である。

［作用〕前記手段によれば、光透過率を制御できる複数の区画を
有する光シャッタが蛍光パターンの読み取り方向に配置
されて設けられる。そして、該光シャッタの各区画の光
透過率を変えて、光シャッタからの透過光を集光して受
光し、光シャッタの各区画の光透過率と集光した受光強
度により、光シャッタの各区画における受光量を求める
演算を行い、読み取った蛍光パターンを得る。ここでは
、光シャッタの各区画の光透過率を制御するための読取
り制御装置が備えられ、読み取り制御装置は光シャッタ
の各区画の光透過率を制御し、光シャッタからの各区画
の透過光を集光して、光センサで受光する。この場合、
光センサでは、複数区画の透過光を同時に集光して受光
するので、光センサなどで発生する背景ノイズを等価的
に低くして、蛍光パターンを受光して読み取りことがで
きる。

また、蛍光パターンは、光シャッタで時間的、空間的に
分離して受光するので、光センサは、ポイント型の光電
子増倍管を用いることができ、十分な読み取り感度を有
する受光部を安価に構成できる。また、光シャッタの各
区画は、読み取り面の各画素に対応して、それぞれに等
しい距離と角度の位置に置かれるため、各画素の両度は
概ね等しくすることができる。

すなわち、微弱な光の蛍光パターンを読み取る読み取り
方法では、光シャッタの各区画の光透過率と、その時に
集光して受光した光シャッタの区画数だけの受光強度と
により、光シャッタの各区画における受光量を求める演
算を行って、読み取る蛍光パターンを得る。したがって
、蛍光パターン読み取り装置には１発光した微弱な蛍光
を、空間的に各区画毎に選択して透過率を制御できる光
シャッタが設けられ、光シャッタからの透過光を集光し
て受光する光電変換素子の光センサとして、ポイント型
の光電子倍増管が設けられて受光部が構成される。これ
により、受光部は低コストで構成できるにのように、高価な１次元または２次元のイメージインテ
ンシファイア、ＣＯＤなどの１次元または２次元の光セ
ンサで構成される受光部の替わりに、光シャッタとして
液晶シャッタを用い、また、光電変換素子の光センサと
して、ポイント型の光電子増倍管を用いることができる
ので、安価に装置が構成することできる。また、光シャ
ッタは複数の区画の光透過率を直交関数の係数行列に従
って制御し、それぞれに集光した受光量と、係数行列と
から逆行列演算により各区画毎の受光光量を求めること
により、光シャッタの複数区画の透過光を集光して同時
に受光することができる。

これにより、等価的に背景ノイズの雑音量を下げて蛍光
パターンを読み取ることができる。したカミって、装置
全体の信号対雑音比を高めることができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面を用いて具体的に説明す
る。

第１図は、本発明の一実施例にかかる蛍光式電気泳動パ
ターン読み取り装置の受光部の構成を示す斜視図である
。

第１図において、５は電気泳動を行う泳動部である。泳
動部５は、ポリアクリルアミドなどのゲル５ａと、該ゲ
ル５ａを両側から挾んで支えるためのガラスの支持板５
ｂ、５ｃとから構成されている。泳動部５のゲル５ａに
上部から例えばＤＮＡ断片の試料を注入し、泳動部５の
上部に設けた第１電極および下部に設けた第２電極の間
に泳動電圧を印加して電気泳動を行う。泳動部５に対し
て電気泳動を行うと同時に読み取り動作を行うため、泳
動部５に光源からの照射光、例えばレーザ光を、光ファ
イバ１２から必要なビーム径が得られるように処理して
、ゲル５ａ中の光路６１に導き、光路６１上のＤＮＡ断
片の蛍光物質に照射して、蛍光物質を励起する。これに
より、光路６１上に存在する蛍光物質が励起されて蛍光
１３が発光する。

泳動部５の光路６１上で発光した蛍光１３のパターンは
、第１図に示すような受光部により受光されて読み取ら
れる。受光部は、泳動部５のゲル中に分布する蛍光物質
を励起するためのレーザビームが光ファイバ１２を介し
て照射する光路６１に対して、当該光路６１上で発光す
る蛍光１３の位置に対応して設けられる。光ファイバの
端部はレーザ光をコリメートする処理を施しである。受
光部は、蛍光物質から発生する蛍光１３を集光するため
のロッドレンズアレイ３０と、蛍光を発光位置の違いに
より選択的に通過させるための光シャッタ３１と、光シ
ャッタ３１を駆動する駆動信号を供給する信号ケーブル
３２と、光シャッタ３１を通過してきた蛍光を集めて光
センサに導く光フアイバアレイ３３と、受光した受光蛍
光に混入している励起光の散乱光成用を分離するための
光学フィルタ部３４と、受光した光成分を電気信号に変
換する光センサの光電変換素子３５から構成されている
。

このように構成されている受光部にかかる泳動部５から
蛍光パターンを読み取るための構成について、更に説明
を続ける。泳動部５の光路６１上に照射される光を発光
する光源としては、例えば、半導体レーザのレーザ光で
励起される２次高周波発生固体レーザが用いられる。こ
の固体レーザのレーザ媒体としては、ＹＡＧ　（イツト
リウム、アルミニウム、ガーネット）の結晶が用いられ
、固体レーザは、波長１．０６４μｍで発振する。発振
されたレーザ光から２次高講波のレーザ光を得るたメツ
結Ａとり、てＫＴＰ　（ＫＴｉＯＰＯ，）を用いること
により、波長５３２ｎｍのレーザ光が得られる。

光源からのレーザ光は、光ファイバ１２を通して所望の
ビーム径で泳動部５に照射される。照射されたレーザ光
は、光路６１を通る。このため、光路６１に存在する泳
動部５のゲル５ａ中の蛍光物質は、励起されて蛍光を発
光する。ここで使用しているＤＮＡ断片に標識している
蛍光物質の色素は、例えば、ローダミンＸ、テキサスレ
ッド、テトラメチルローダミンイソチオシアネートなど
である。

発光した蛍光１３は、ロッドレンズアレイ３０で集光さ
れ、光シヤツタ３１上に結像される。ロッドレンズアレ
イ３０は１円柱形状のロンド内に屈折率の差を持たせる
ことにより、光学レンズと同じように光を集めることが
できる平板レンズである。光シャッタ３１としては、例
えば、液晶シャッタが用いられる。

第２図は、受光部における光学経路を説明するための概
略の断面図である。第２図において、５は泳動部、５ａ
はＤＮＡ断片の資料が泳動されているゲル、５ｂ、５ｃ
はゲルを両側から挾んで支えるためのガラス支持板、６
１はゲルに対する照射光が通る光路、１３は蛍光、３０
はロッドレンズアレイ、３１は光シャッタ、３３はロッ
ドレンズアレイからの光を集光する光フアイバアレイで
ある。これらの要素は、第１図において参照番号が付け
られた各要素と対応している。第２図に示されるように
、光路６１上でゲル５ａから発光した蛍光１３は、ロッ
ドレンズアレイ３０で集光され、光シヤツタ３１上に結
像される。光シャッタ３１に結合された蛍光は、更に光
フアイバアレイ３３に導かれて、光フィイバアレイ３３
で集光されて、光学フィルタ部、光センサ部へと導かれ
る。

第３図は、光シャッタの画素構成の一例を示す説明図で
ある。この実施例では、蛍光パターンの読み取りにおい
ては、光路６１に沿って発光する蛍光パターンの１次元
状の画素の読み取りが目的であるため、光シャッタ３１
は、例えば、第３図に示すように、横方向に６４０画素
を有し、縦方向には１画素を有する１次元状のライン画
素シャッタとして機能する液晶シャッタが用いられる。

実際に蛍光パターンの測定を行うために、信号処理装置
の制御回路（図示せず）で発生される制御信号により、
信号ケーブル３２を介して光シャツタ３１に駆動信号が
供給される。この光シャッタ３１の駆動信号に従って、
光シャッタ３１の各区画の光透過率が制御される。例え
ば、２値で制御する場合には、オン状態では、光の高透
過率状態となり、また、オフ状態では低透過率状態とな
る。また、光透過率を任意の値の制御するためには、そ
れに対応する駆動電圧が加えられる。ここでは、制御を
簡単にするため、光シャッタは２値で制御するものとし
、オン状態およびオフ状態の２値で光シャッタが制御さ
れる。光シャッタとなる液晶シャッタは、高透過状態で
は光が約２０％〜３０％の透過率となり、低透過状態で
は、高透過状態の約２０〜３０分の１の透過率となるも
のを用いている。コントラストが更に必要な場合には１
強誘電体液晶などを用いることにより、１００対１以上
の透過率の比を得ることも可能である。

光シャッタ３１の制御の他の形態として、各区画を２値
制御するのでなく、適度の中間透過率を時間的な比率や
、区画自身の透過率を変えることにに適宜に重み付けを
行い、フィルタリング処理を行うようにも構成できる。

光シャッタ３１の各区画は、縦方向の長さがロッドレン
ズアレイ３０の結像幅よりも長くなるように設定しであ
る。また、光シャッタ３１の各区画（画素）毎のオン／
オフ（透過／遮断）については、各々に１画素毎をオン
状態として読み取る読み取り方法を含めて、後述するよ
うに、同時に幾つかの区画の画素をオン状態としながら
、蛍光パターンの光を集光して光量の読み取りを行い、
後に演算によって各画素に対する光量を求めるようにす
る。これにより、微弱な蛍光パターンを高感度で読み取
りことができる。光シャッタ３１としては、このような
液晶シャッタの他に１機械式のシャッタ、ポッケルス効
果などの種々の光学的性質を使用したシャッタを用いる
ことができる。

光シャッタ３１を透過した光は、１次元状に配列された
光フアイバアレイ３３に入射される。光フアイバアレイ
３３の他の一端は、一次元状配列の複数本の光ファイバ
を全て束ねて円形にまとめてあり。

集光されて出力される。この光フアイバアレイ３３によ
り集光された光は、光学フィルタ部３４に送られる。

第４図は、光学フィルタ部の要部構成を示す断面図であ
る。第４図に示すように、光フイルタ部３４は、１つの
光路上に光学レンズ３４ａ、ピンホール３４ｂ、光学レ
ンズ３４ｃ、光学フィルタ３４ｄ、光学レンズ３４ｅが
順に所定距離を置いて並べられた構成となっている。こ
の光フイルタ部３４の働きは、光フアイバアレイ３３か
ら導かれた光に含まれている励起光の散乱光成分を取り
除くことである。

光フアイバアレイ３３からの光は、まず、光学レンズ３
４ａに入射され焦点に集光され、更にピンホール３４ｂ
を通し、次に光学レンズ３４ｃを通して、入射光のうち
の平行光成分のみが取り出される。

得られた平行光成分は、光フィルタ３４ｄに入射される
。光フィルタ３４ｄでは、蛍光波長成分のみを抽出する
。次に、後続する光学レンズ３４ｅによって更に集光さ
れて、次段の光電変換素子３５に入射される。このよう
に光フイルタ部３４では入射光から平行光成分を取り出
して光フィルタ３４ｄに入射している理由は、光フィル
タ３４ｄとして用いている干渉フィルタの特性を十分に
引き出すためである。

光電変換素子３５となるポイント型の光電子増倍管によ
って、電気信号に変換された光の強度に対応する電気信
号は、アナログ・デジタル変換器により、アナログ信号
からデジタル信号に変換され、所望するデータ処理が行
なわれる。

次に、蛍光パターン読み取りのための光シャッタ３１に
おける画素のオン／オフ制御処理と、これに対応する信
号処理部における信号処理方法について説明する。

第５図は、光シャッタの各々の区画の画素の光透過率の
制御を行う係数マトリクスを示す図である。ここでは、
光シャッタの制御は、２値での制御とするため、この係
数マトリクスにおいて、マトリクスの各要素Ｓｉｊはそ
れぞれがオン状態（透過状態；ｌ）、またはオフ状態（
遮光状５ｈｏ）のいずれかの制御パターンの状態を示し
ている。

蛍光パターンの読み取りには、この係数マトリスフの各
行毎に光シャッタ３１の各区画の画素のオン／オフを設
定し、光電変換素子３５から検出される出力の電気信号
を測定する。光シャッタの各区画の画素をオン／オフす
るための係数マトリクスＳ　［Ｓｉｊ］と、未知数であ
る各画素毎の光量Ｘのベクトル［ｘｉｌと、測定値Ｍの
ベクトル［ｍｉｌとの関係は、連立一次式となり、次式
で示される。

［Ｓｉｊコ　　・　　［ｘ　ｉ　コ　＝　　［ｍｉｌし
たがって、光シャッタを係数マトリクスの行で制御し、
その行に対応する光量の測定値を求める測定を行い、全
ての行に対して測定を完了した後、各区画の画素毎の光
量を未知数として、上記の連立一次方程式を解くことに
より（逆行列演算を行うことにより）、各区画の画素の
光量を知ることができる。

この実施例では、例えば、この係数マトリクスを２５６
または５１２程度の大きさのものを用いている。係数マ
トリクスの各要素の値は、逆行列演算の計算を簡易にし
、光検出の感度を高くして測定精度を向上させるために
は、各行または列どうしが直交関係にあるアダマール行
列を用いる。

また、他の種類のマトリクスの例として、直交関数であ
るウォルッシュ関数列などを用いることができる。

得られた各区画の画素毎のデータは時系列に従って、フ
ィルムプリンタに送出され、２次元に再構成しながらフ
ィルム画像として出力される。また、フィルムプリンタ
への出力の他に、光磁気ディスクまたはディジタル・オ
ーディオ・テープなどの記録媒体に画像データとして蓄
積される。

次に、本実施例の変形例について説明する。ここでは、
光シャッタとして用いられる機械的な光シャッタの一例
について説明する。

第６ａ図および第６ｂ図は、それぞれ機械式光シャッタ
の構成の一例を示す図である。第６ａ図の機械式光シャ
ッタの例は、円盤シャッタ３６に同心円上の一部にスリ
ット３７を設けて構成したものである。この円盤シャッ
タ３６を回転駆動することにより、円盤中心からの見込
み角と１円盤の回転角速度で決まる時間だけ、スリット
３７の対応位置の各区画がオンとなる光シャッタが構成
される。

スリット３７を設ける位置は、第５図に示した係数マト
リクスにより設定する。

また、第６ｂ図に示す機械式光シャッタの他の例は、矩
形板シャッタ３８にスリット３９を設けて構成したもの
である。スリット３９は光シャッタの各区画で高透過度
とする部分の位置に穴を開けたものである。スリット３
９の穴の位置は、第５図に示す係数マトリクスに基づい
ている。この矩形板シャッタ３８の機械式光シャッタは
、上下に移動させる駆動を行う。このように構成された
機械式光シャッタ（３６，３８）をロッドレンズアレイ
に結像位置に設置し１機械式光シャッタを回転駆動し、
また、上下方向に移動させながら、各横方向のスリット
３７．３９の組合せ毎の光量を測定する。得られた測定
結果に対しては、前述と同様にして、逆行列演算で連立
一次方程式を解くことにより、各画素毎の光量を求める
。

このような機械式光シャッタは、また、電気磁気的な力
を利用して各区画（画素）の開閉を行なわせるようにし
てもよい。

また、別の他の変形例として、光シャッタ３１に代えて
、各画素の区画毎に反射率を制御できるミラーを用いた
例を次に説明する。

第７図は、各画素の区画毎に反射率を制御するミラーを
用いた蛍光パターン読み取り方法を説明する図である。

第７図を参照して説明する。ＤＮＡ断片等を電気泳動し
た試料から発光する蛍光１３は、ロッドレンズアレイ３
０に到達する。ロッドレンズアレイ３０は受光した蛍光
を集光し、集光した光は、偏向板４０を通過し、液晶セ
ル４１に達する。ここで蛍光を受光する区画では、ミラ
ーを高反射率としてミラー４２から十分に光を反射させ
るようにする。このため、この高反射率の区画について
は、通過する光の偏向角を変えないように通過させ、ミ
ラー４２で反射させて、光フアイバアレイ３３に到達さ
せる。

また、蛍光を受光しない区画については、液晶セル４１
内において片道で４５度の偏向角の回転させることによ
り、ミラー４２からの反射波は液晶セル４１を２回通過
し、往復で９０度の偏向が行われる。

したがって、偏向板４０を通過することができず、光フ
アイバアレイ３３には、到達しない。これにより、光シ
ャッタを用いた場合と同様に、受光する光量を制御して
同様な光信号を検出することができる。

また、第６ａ＠または第６ｂ図に示すような機械式光シ
ャッタを利用した方法であっても、スリットの部分をミ
ラーなどの高反射状態にして、逆に、低反射部分をスリ
ット状にすれば、同様な形態で用いることができる。

以上、説明した実施例および変形例においては。

レーザ光を泳動部５の側方より入射し、蛍光物質から発
生する１次元状の蛍光パターンの読み取り方法に限定し
て説明を行っているが、これに替えて、蛍光の発光パタ
ーン以外の２次元状で発光する光分布パターンの読み取
り方法においても、同様に適用できる。また、この場合
、例えば、光シャッタとして２次元状に制御可能な区画
を有するものを用いて、同様に適用する。２次元状の読
み取りに対しては、１次元状の光シャッタを読み取り対
象の試料に対して相対的に移動させるさせることにより
、２次元状で読み取りが行えることは言うまでもない。

また、光シャッタと試料との間の光学的な接続方法は、
ファイバを２次元状に束ね、入射した画像を反対側に導
くファイバオプティックプレートと呼ばれるものを代用
することと可能である。更に、ファイバアレイを用いる
ことに替えて、ミラーを用いても集光できることは明ら
かである。

以上、本発明を実施例にもとづき具体的に説明したが１
本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、その
要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であること
は言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上、説明したように、本発明によれば、微弱な光の蛍
光パターンを読み取る装置の受光部として光シャッタと
ポイント型の光電変換素子の光電子増倍管を用いること
ができ、受光部を安価に構成することできる。各画素に
対応する光シャッタの各区画の制御は互いに直交関係に
ある係数マトリクスに従って制御し、複数区画の受光量
を集光して検出した光量により、マトリクスの逆演算を
行い、各区画の受光量を求めることにより、等価的に光
電変換素子の雑音レベルを低減することができる。これ
により、蛍光パターンの読み取り装置の受光部の信号対
雑音比を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例にかかる蛍光式電気泳動パ
ターン読み取り装置の受光部の構成を示す斜視図、第２図は、受光部における光学経路を説明するための概
略の断面図、第３図は、光シャッタの画素構成の一例を示す説明図、第４図は、光学フィルタ部の要部構成を示す断面図、第５図は、光シャッタの各々の区画の画素の光透過率の
制御を行う係数マトリクスを示す図、第６ａ図および第
６ｂ図は、それぞれ機械式光シャッタの構成の一例を示
す図、第７図は、各画素の区画毎に反射率を制御するミラーを
用いた蛍光パターン読み取り方法を説明する図、第８図は、従来の蛍光式電気泳動装置の外観を示す斜視
図、第９図は、泳動計測装置の内部の構成を示すブロック図
、第１０ａ図および第１０ｂ図は、蛍光法による電気泳動
パターン検出の動作原理を示す泳動部の正面図および縦
断面図、第１１ａ図および第１１ｂ図は、泳動計測装置から送出
されるＤＮＡ断片の蛍光強度パターン信号の例を説明す
る図、第１２図は、電気泳動を行ったＤＮＡ断片の分布例を示
す図である。図中、２ａ・・・第１電極、２ｂ・・・第２電極、３・
・・支持板、４・・・電気泳動用電源装置、５・・・泳
動部、１１・・・光源、１２・・・光ファイバ、１３・
・・蛍光、１４・・・集光器、１５・・・光学フィルタ
、１６・・・光センサ、１７・・・増幅器、１８・・ア
ナログ・ディジタル変換回路、１９・・・信号処理部、
２０・・・インタフェース、３ｏ・・・ロッドレンズア
レイ、３１・・光シャッタ、３２・・・信号ケーブル、
３３・・・光フアイバアレイ、３４・・・光フイルタ部
、３５・・・光電変換素子、３６・・・円盤シャッタ、
３７・・・スリット、３８・・・矩形板シャッタ、３９
・・・スリット、４ｏ・・・偏向板、４１・・・液晶セ
ル、４２・・ミラー、５１・・・泳動計測装置、５１ａ
・・・扉、５１ｂ・・・操作パネル、５２・・・データ
処理装置、５３・・・ケーブル、５４・・・計算機本体
、５５・・・キーボード、５６・・・デイスプレィ、５
７・・・プリンタ、６３・・・電気泳動部装置、６４・
・・信号処理装置、６１・・・光路、６２・・・走査線
、６６・・・バンド、７１．７２．７３．７４・・・レ
ーン。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）蛍光物質により標識された試料に対して電気泳動
を行い、該蛍光物質を励起して蛍光を発光させ、発光す
る蛍光パターンを読み取る蛍光パターン読み取り方法で
あって、光透過率を制御できる複数の区画を有する光シ
ャッタを蛍光パターンの読み取り方向に配設し、該光シ
ャッタの各区画の光透過率を変えて、光シャッタからの
透過光を集光して受光し、光シャッタの各区画の光透過
率と集光した受光強度により、光シャッタの各区画にお
ける受光量を求める演算を行い、蛍光パターンを読み取
ることを特徴とする蛍光パターン読み取り方法。
（２）蛍光物質により標識された試料に対して電気泳動
を行い、該蛍光物質を励起して蛍光を発光させ、発光す
る蛍光パターンを読み取る蛍光パターン読み取り装置に
おいて、蛍光パターンの読み取り方向に配設した複数の
区画の光透過率を制御できる光シャッタと、該光シャッ
タの各区画の光透過率を変えて蛍光パターンの読み取り
を制御する読取り制御装置と、光シャッタの各区画から
の光を集光して受光する光センサとを有することを特徴
とする蛍光パターン読み取り装置。
（３）光シャッタは光透過率を制御できる液晶シャッタ
であり、光センサは、ポイント型の光電子増倍管である
ことを特徴とする請求項２に記載の蛍光パターン読み取
り装置。
（４）光シャッタは、各区画に対応にスリットが設けら
れた機械式シャッタであることを特徴とする請求項２に
記載の蛍光パターン読み取り装置。
（５）光シャッタに替えて、光反射率を制御できる液晶
セルおよびミラーの組合せを用いることを特徴とする請
求項２に記載の蛍光パターン読み取り装置。
（６）読取り制御装置は、光シャッタの各区画の光透過
率を読み取り位置に対応して変化させて、光シャッタか
らの光を集光して光電センサで受光し、各区画の光透過
率と、集光して受光した受光量とから連立一次方程式求
解を行って、各区画の受光量を求めることを特徴とする
請求項２に記載の蛍光パターン読み取り装置。
（７）読取り制御装置は、光シャッタの各区画の光透過
率を設定した係数マトリクスに従って制御し、光シャッ
タからの透過光を集光して光センサにより受光し、係数
マトリクスの係数と、マトリクスの各行対応に集光した
受光した受光量から逆マトリクス演算を行って、各区画
の受光量を求めることを特徴とする請求項２に記載の蛍
光パターン読み取り装置。
（８）読取り制御装置が行う光シャッタの各区画の光透
過率を設定する係数マトリクスは、直交関係にある配列
とし、複数区画を同時に高透過率として、光シャッタか
ら複数区画の透過光を集光して受光することを特徴とす
る請求項７に記載の蛍光パターン読み取り装置。