JPH10513553A

JPH10513553A - 生物学的分子の分析

Info

Publication number: JPH10513553A
Application number: JP8523084A
Authority: JP
Inventors: マーレイ，アンソニー・ジェイ; シュテゲマン，ヨーゼフ; アンゾルゲ，ヴィルヘルム
Original assignee: マーレイ，アンソニー・ジェイ; シュテゲマン，ヨーゼフ; アンゾルゲ，ヴィルヘルム
Priority date: 1995-01-23
Filing date: 1996-01-23
Publication date: 1998-12-22
Also published as: WO1996023213A1; EP0805974A1

Abstract

(57)【要約】感光性標識を付けた生物学的分子の検出および分離のための装置（１２）および方法。分子を、水平および垂直の両平面上で、ゲルマトリックス（１６）中の平行な電気泳動的経路（１８）において、サイズによって分離する。電位をゲルマトリックス（１６）に適用し、一方でレーザー光は、それらが所定の方向で移動する際に分子を励起する。励起した分子から放出された出力光信号を、モニター（３６）、コントローラー（３５）およびデジタルデータプロセッサー（３７）を用いて検出し、収集し、分析する。

Description

【発明の詳細な説明】生物学的分子の分析緒言デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）は、相互にホスホジエステル結合によって連結された個々のヌクレオシドからなる２本の直線状鎖からなる。その天然の状態では、ＤＮＡは、二重らせんとして相互に連結したヌクレオシドの相補的鎖の形で存在する。二重らせんは、お互いに反対側に位置する個々の相補的なヌクレオシド間に形成される水素結合によって一緒に保たれている。ヌクレオチド（窒素プリンまたはピリミジン塩基、デオキシリボース糖およびリン酸基からなる）は、分子の基本的組立ブロックであり、それらの配列は遺伝子を定義し、突極的には遺伝子によってコードされる蛋白質を定義する。４種のヌクレオチド−チミジン（Ｔ）と対になるデオキシアデノシン（Ａ）およびデオキシシチジン（Ｃ）と対になるデオキシグアノシンが存在する。ＤＮＡおよびリボ核酸（ＲＮＡ）を配列決定する能力は、多くのウイルス、細菌、植物および動物のゲノムを詳細に吟味する価値のある手段を科学者に提供してきた。実際、ＤＮＡおよびＲＮＡの配列解析の改良されたより効率的な方法の開発が、組換えＤＮＡ技術および遺伝子工学における最も大きな進歩の多くにおいて決定的な要素であった。ＤＮＡ配列決定工学は今日では高度のレベルに達し、それにより科学的施設は、今日に至るまでおそらく最も偉大なプロジェクト、すなわちヒト・ゲノムの全部で３,０００,０００,０００塩基のＤＮＡ配列解析を試みることが可能となった。近年、配列決定反応そのものに使用されるプロトコルにおいても、これらの反応の産物を可視化するために使用される手段においても、ＤＮＡ配列決定工学は多くの発展をとげたが、ヒトゲノムの配列決定という仕事を合理的長さの時間および使える費用のなかで完結するべきならば、改良がなされるべきであることは明白である。本発明は、一般的に、標識された生物学的分子分析のための装置および方法に関する。本発明の適応性および多能性により、例えば、スラブ、チャンネルおよびキャピラリー手段等多数の異なる電気泳動的分離方法と組み合わせて本発明を使用することができる。電気泳動的方法および手段がより効率的で感度良好になるにつれ、このような多能性および適応性は、研究および診断の道具としての本発明の有用性および実行可能性を拡大する際に非常に重要であろう。例えば、キャピラリー電気泳動技術は、電気泳動的検出の伝統的手段よりも１０, ０００倍程も高感度になり得、単一の分子の量に近付いてゆく生物学的物質の量を検出することが可能なほど高感度になり得る。以下に詳細に述べるように、本発明は、ＤＮＡの配列解析に対し特に適用され、この意味で、改良された検出および得られた配列データの解釈のための装置が記載される。発明の背景ＤＮＡの配列決定は、２つの基礎的アプローチを用いて行われてきた：マキサム(Maxam)らの化学分解法［プロシーディングス・オブ・ザ・ナショナル・アカデミー・オブ・サイエンシズ(Proceedings of the National Academy of Scienc es)、第７４巻、第５６０頁−第５６４頁（１９７７）］：およびサンガー（San ger）らのジデオキシ鎖停止法（プロシーディングス・オブ・ザ・ナショナル・アカデミー・オブ・サイエンシズ(Proceedings of the National Academy of Sc iences)、第７４巻、第５４６３頁−第５４６７頁（１９７７）］。この２つの方法はまだ広く使用されており、具体的状況に依存して、一方が他の一方に対して利点を有する。ＤＮＡ配列決定の化学分解法および鎖停止法のいずれにおいても、各々、共通の起点を有し、既知の塩基で停止する標識されたＤＮＡを生じさせることが必要である。いずれかの手段の生成物である標識ＤＮＡ断片は、高分解能ゲル電気泳動によりサイズに従って分離され、かくして、いわゆる「配列ラダー」が、写真フィルムまたは他のイメージ保存手段への暴露によるゲルの可視化により生じる。ゲル電気泳動は、通常、標識ＤＮＡ断片を、一端で試料を置くためのスロットまたはウェルを含むように２枚のガラス板間に形成されたポリアクリルアミドゲルの一端に負荷することを含む。負荷過程において、ポリアクリルアミドゲルの両端を、電極タンクに含まれた電解質溶液に浸す。試料の負荷が完結すると、電源からの電圧を、電極タンクから適用し、次いでポリアクリルアミドゲルを横切って適用する。適用された電圧は、ポリアクリルアミドゲルを通して標識ＤＮＡ試料を電気泳動させ、断片はサイズに従って移動する。ヒトの労力および試薬の費用の両方の意味において、配列情報を生じる費用は研究および診断の目的のためのそのような情報の限りない価値と同様、進歩した配列決定プロトコルを、以前議論したもののごとき断片分離の最も効率的な方法と組み合わせた場合でさえも、該方法をより効率的にするための多数の試みに導いた。この目的のために、ＤＮＡ配列決定のために使用される方法の自動化が、魅力的で、しばしば成功する提案であることが分かってきた。ジデオキシ鎖停止法における改良［例えば、サンガー(Sanger)ら、ジャーナル・オブ・モレキュラー・バイオロジー(Journal of Molecular Biology)１４３巻、第１６１頁−第１７８頁（１９８０）；シュライアー(Schreier)ら、ジャーナル・オブ・モレキュラー・バイオロジー(Journal of Molecular Biology)第１２９巻、第１６９頁− 第１７２頁（１９７９）；スミス（Smith）ら、ヌクレイック・アシッズ・リサーチ(Nucleic Acids Research)第１３巻、第２３９９頁−第２４１２頁（１９８５）；スミス(Smith)ら、ネイチャー(Nature)第３２１巻、第６７４頁−第６７９頁（１９８７）；プロバー(Prober)ら、サイエンス(Science)、第２３８巻、第３３６頁−第３４１頁（１９８７）；チャーチ(Church)ら、サイエンス(Scien ce)第２４０巻、第１８５頁−第１８８頁（１９８８）；およびコンネル（Conne l）ら、バイオテクニークス(Biotechniques)第５巻、第３４２頁−第３４８頁（１９８７）］は、それを自動化されたＤＮＡ配列決定機械および他の迅速な配列決定適用の選択方法とした。手動のＤＮＡ配列決定手段および自動化のいくつかの初期の試みでは、断片の放射性標識、すなわち³²Ｐまたは³Ｈのごとき放射性標識を含むＤＮＡ断片をヌクレオチドに取り込むことを用いた。例えば、１９８７年１１月１７日にイングラートおよびフィーラー(Englert and Wheeler)に対し発行された米国特許第４, ７０７,２３５号には、標識されたＤＮＡ断片のヌクレオチド配列決定のための方法および装置が記載されている。’２３５特許の好ましい実施例においては、放射性標識ＤＮＡ断片を含む試料をゲル・マトリックスを通して電気泳動させる。標識断片がゲルの底に向けて移動する際に、それらは検出器の窓を通過する。十分なエネルギーの、放射性標識断片のイオン化放射が、窓を通過し、検出器の気体環境での自由電子を生じる。自由電子は、アノード・ワイアに向けて加速され、この応答として、電子的信号を生じる。このように生じた電子的信号は、最後には保存され、コンピューターの手段によって解釈される。しかしながら、蛍光標識技術の有用性および効率が改良されるにつれ、蛍光によるＤＮＡ配列情報検出が、特に十分に自動化されたシステムにおいては、選択される方法になった。蛍光検出システムおよびコンピューターに基づくデータ解釈法ならびに保存と組み合わせた、ゲル・マトリックスを通した電気泳動間における発蛍光団標識ＤＮＡ断片の励起は、配列情報の発生を、次第に、より労働が効率的で費用が有効である様式とした。蛍光色素で標識されたＤＮＡ断片を用いて、例えば、ただ１つの蛍光色素およびゲル上の４つのレーンの平行した分析から得られた配列情報を用いて、［アンソージ(Ansorge)ら、ジャーナル・オブ・バイオケム・バイオフィズ・メソッズ( Journal of Biochem．Biophys．Methods)、第１３巻、第３１５頁−第３２３頁（１９８６）；アンソージ(Ansorge)ら、エレクトロフォレシス（Electrophores is）第１３巻、第６１６頁−第６１９頁（１９９２）；それぞれ特異的な塩基と連結した４種の色素およびゲルの１レーンの分析から得られる配列情報を用いて［スミス(Smith)ら、ネイチャー(Nature)第３２１巻、第６７４頁−第６７９頁（１９８６）；異なる色素、Ｔ７ＤＮＡポリメラーゼ、マンガンおよび無機ピロホスファターゼを、ピーク高さの分析と組み合わせて用いて［１９９２年６月２３日にウィルヘルム・アンソージ(Wilhelm Ansorge)に対し発行された米国特許第５,１２４,２４７号；テイバーとリチャードソン(Tabor and Richardson)、ジャーナル・オブ・バイオロジカル・ケミストリー(Journal of Biological Ch emistry)第２６５巻、第８３２２頁−第８３２９頁（１９９０）参照］または、最大の信号および色素識別のための２レーザー−２−ウィンドウと組み合わせた異なる色素を用いて（カルソン(Carson)ら、アナリティカル・ケミストリー(Analytical Chemistry)第８５巻、第３２１９頁−第３２２６頁（１９９３）］ＤＮＡ配列を引き出すために多くの戦略を用いることができる。蛍光標識技術を用いたほとんどのシステムにおいては、蛍光色素は、プライマー（例えばスミス(Smith)ら、（１９８７、上記に引用））；末端ジデオキシヌクレオドの塩基（例えば、プロバー（Prober）ら（１９８７、上記に引用））；またはＤＮＡ断片の内部ヌクレオチド（ＰＣＴ出願ＷＯ９３／０３１８０、ウィルヘルム・アンソージおよびハートムット・ボス(Wilhelm Ansorge and Hartmut V oss)参照)）のいずれかに付着させる。後者の標識方法において、デオキシヌクレオシド三リン酸、例えばデオキシアデノシン三リン酸（ｄＡＴＰ）を使用し、未標識プライマーの使用を可能にする点で特に有利である。最適のプライマーデザインと組合わせた場合、蛍光ｄＡＴＰで標識した断片は、配列情報が、ゲル・マトリックスを通した標識ＤＮＡ断片の電気泳動後の１レーンまたは４レーンのグループから１０００塩基を越えて読まれることを可能とする。１つのゲルから得られる配列データの量の増加は、一部には、アンソージおよびボス(Ansorge and Voss)プロトコルに開示されるＤＮＡ断片標識の効率の増加に負う。標識方法がいずれであっても、上記標識断片が、電気泳動的分離のためのゲルに負荷され、ＤＮＡ配列は、分離プロセスの間に検出器を通過する際の断片によって放出される蛍光信号のパターンから決定される。自動化ＤＮＡ配列決定機械の非常に重要な構成要素は、蛍光を蛍光検出システムに集め、収束させる光学的系および蛍光検出系それ自身である。多くのアプローチが、これらの構成のデザインにおいてなされてきた。蛍光検出システムに関し、２つのタイプが、自動化ＤＮＡ配列決定機においてかなりの有用性を示してきた−蛍光検出の主要手段としてＣＣＤを用いるものおよびダイオード／増幅器アセンブリーを使用するものである。ＣＣＤをベースとする基礎蛍光検出器における線形ＣＣＤは、しばしば５,０００もの大量の感光セルに分けられる。ＣＣＤベースの蛍光検出器においてやはり有用であり得る二次元ＣＣＤは、より多くのそのような感光性セルをも含む。セルからの情報は、個々のまたは集合的な基礎に基づいて分析可能である。この能力は、検出システムに、高いデータ収集感受性および効率を与える。ＣＣＤベースの検出システムの感度は、ゲルのマトリックスを通して移動するときに励起された蛍光標識ＤＮＡ断片によって放出される蛍光を効率的に捕捉可能できる光学系と組み合わせた場合に増加する。ダイオード増幅器をベースとする検出システムが、多くの自動化ＤＮＡ配列決定システムのデザイン中に取り入れられてきたが、それらの有用性は、物理的拘束に限られてきた。このようなＤＮＡ配列決定機において、ゲルの各レーンは、１つの信号増幅器と別々に組み合わせた個々のダイオードに対応する。個々のダイオード／増幅器検出システムにおいて、ゲル上のレーン数のいかなる増加にも、ダイオードの数の付随する増加が伴われるべきである。多数の増幅器およびダイオードの１つのユニットへの組込を可能とする近年の革新により、ダイオード／増幅器／アレイをベースとする蛍光検出システムが、それらの使用に伴う不利のいくつかが克服されることを可能とした。ＣＣＤをベースとする検出システムに関しては、一体とされたダイオード／増幅器−アレイをベースとする検出システムの感度は、ゲルのマトリックスを通して移動する際に励起された蛍光標識ＤＮＡ断片によって放出される蛍光を効率的に捕捉できる光学的システムと組み合わせた場合にもまた増加する。自動化ＤＮＡ配列決定機現在、商業的に入手可能な自動化配列決定機は、２つのタイプに分かれる−蛍光を励起するための走査型レーザー手段を使用するものおよびこの目的を達成するための固定されたレーザー手段を使用するものである。走査型蛍光検出走査型レーザー励起手段に頼るＤＮＡ配列決定機は、１９８９年３月７日にフンカピラー(Hunkapillar)らに対し発行された米国特許第４,８１１,２１８号に記載されている装置によって例示される。 ’２１８号特許には、レーザーを、蛍光誘導電磁波放射の源として用いる自動化ＤＮＡ配列決定装置が記載されている。モーターの付いた並進ステージの上を水平に移動する光学的励起系は、入ってくるレーザービームのサイズを減少させ、次いで、ゲルのレーンのそれぞれ上に、お互いに独立して収束させる収束望遠鏡から実質的になる。集光レンズ系は、ゲル上の標識ＤＮＡ断片からの蛍光の一部を集め、それを、４つのフィルターからなるフィルター回転板に向ける。集光レンズの焦点に位置するのは、収集された光を光電子増倍管の活性な領域に像を形成するように配置されたファブリーレンズである。光電子増倍管は、適当な手段で解釈することが可能で、判読可能なＤＮＡ配列情報に変換することが可能な信号を生じる。レーザーからの光を、ブルースター角でゲル・レーンに投射させる。この検出手段は大出力レーザーの使用の必要性を意味する。照射のための高出力のレーザーは高価であって、装置の高いコストといった結果となる。 ’２１８号特許に記載された装置のもう１つの顕著な不利は、走査される、ゲルのレーン中に含まれる情報の積算時間を含む。標識断片を含むゲル上のバンドは、静的レーザー励起システムにおけるよりも、レーザー走査励起においてより短い時間で試験される。このより短い走査時間は、より短い検出積算時間という結果になる。なぜなら、該レーザーは、それぞれのレーンを走査するだけでなく、塩基の決定を行うための十分なデータ点を集めるために異なる放射波長においても走査する必要があるからである。加えて、走査のための機械的手段の使用はシステム全部の信頼性の減少を引き起こす。励起のレーザー走査手段を用いたＤＮＡ配列決定機は、カリフォルニア州、フォスター・シティ(Foster City，California)のアプライド・バイオシステムズ，インコーポレイテッド(Applied Biosystems，Inc.)およびネブラスカ州、リンカン(Lincon，Nebraska)のリーコー，インコーポレイテッド(Li-cor，Inc.)によって市販されている。リーコー(Li-cor)装置は、赤外域色素、アバランチダイオードおよび、高価なアルゴンレーザーの代わりに大量生産される半導体レーザーを用いる。これらの改良は装置の費用を減少させるが、それらは、レーザ走査検出機に固有の不利な点の改善という結果にはならない。固定蛍光検出ＤＮＡ配列決定機において使用される固定検出システムは、上記に引用されるアンソージ(Ansorge)ら（１９８６）；およびアンソージ(Ansorge)ら、ＦＲＧ特許出願番号Ｐ３６．１８．６０５．Ｂ（１９８６）によって記載される自動化装置によって例示される。この装置は、そこからの光がゲル・マトリックス内を移動する発蛍光団標識ＤＮＡ断片からの蛍光を誘導する、ゲルの全幅を通るレーザー、および全ての４つのレーンからの蛍光の放射を検出し、モニターするためのシステムからなる。１９８７年６月２３日にカンバラ（Kambara）らに対して発行された米国特許第４,６７５,０９５号には、蛍光誘導電磁波放射の源としてのレーザー、蛍光検出システムおよびコンピューター化したデータ保存ならびに解釈システムからなる自動化ＤＮＡ配列決定装置が記載されている。’０９５号特許の装置においては、レーザーからの光は側面から、すなわちＤＮＡバンドの移動に対し垂直な方向でゲル内に水平に照射される。１９９４年３月１５日にトグサリ(Togusari)らに対して発行された米国特許第５,２９４,３２３号には、’０９５号特許に記載されるごとく、そこからの光が側方からゲル内に水平に照射されるレーザーを、蛍光誘導電磁波放射の手段として用いる。ＤＮＡバンドからの蛍光は、鏡によって、多くの部品からなる蛍光検出器に反射される。蛍光検出器は、結像レンズ；該結像レンズの末端側に結合させた帯域フィルター；該結像レンズの光学軸と一直線上にあるフォトダイオード、ＣＣＤセンサーまたはＭＯＳ線形イメージセンサーのごとき固体状態イメージング・デバイス；および固体状態のイメージング・デバイスに冷却を供するペルティエ・デバイスからなる。 ’３２３号特許の１の具体例において、ゲル上の各レーンから検出された蛍光は、イメージ増強器に濃縮される。増幅されたイメージは、フォトダイオードアレイによって電気的信号に変換される。このようにして生じた電気的信号は、コンピューターの助けをかりて、判読可能なＤＮＡ配列データに加工される。レーザーからゲルへ光を照射させるための’０９５号および’３２３号特許の方法により、ＤＮＡ配列情報を、低出力のレーザーを用いて得ることが可能となる。これはそれゆえ機械の製造において顕著に費用を節約する。加えて、上記に言及されるごとき静的レーザー励起システムの使用は、より早い分離速度で高い精度という結果になるるしかしながら、’３２３号特許の装置は、該ＤＮＡバンドの蛍光からの低い光収集効率という点で不十分である。ＣＣＤ検出器を用いる’３２３号特許の具体例において、例えば、このことが生じる。なぜなら、イメージされるゲルのサイズと検出器で用いられるＣＣＤのサイズ間に大きな不均衡があるからである。ゲルのイメージをＣＣＤ上に縮小するために必要とされるレンズは、蛍光収集の低効率につながる（検出器／レンズの組合せは小さい固体角を「見る」）。この検出器デザインの結果として、信号レベルが悪化する。悪化した信号レベルのため、動的な範囲の信号レベルおよび検出器の感度については制限されている。検出器の限界を克服するためには、より高価な科学的グレードのＣＣＤ（広く用いられる商業的に入手可能なＣＣＤと比較して）を用いるか、あるいはノイズの減少へのより厳しいアプローチ、例えば、検出器冷却または低いノイズのＣＣＤを採用するべきである。１９９４年４月２６日にカンバラ(Kambara)らに対して発行された米国特許第５,３０７,１４８号に記載される装置は、’０９５号または’３２３号特許の装置と同じ方法でゲルの側方からのレーザー照射を使用する。しかしながら、’３２３号特許と異なり、’１４８号特許は、お互いに平行に置かれ、側から、それらのビームが少なくとも１センチメーター離れて側方から照射される多数レーザーの使用を好ましい具体例において、該装置は２本のレーザーを用いる。２のレーザービームは最初にスペクトル的に分散させ、濾過し、次いで２次元ＣＣＤ検出器において８つのスペクトル的に区別される線状イメージを（それぞれのレーザーラインから４つ）形成するように再び収束させる。この配列により、電気泳動ゲルの１のレーンにおける多数の色素標識の使用が可能となり、各信号を、異なる放射および励起スペクトルから回収することが可能となる。しかしながら、’１４８号特許の装置は、多くの点で不十分である。例えば、レンズおよび検出器の配列は、検出器の感度の点では’３２３特許の改良ではない。検出器の感受性は改良されていない、なぜなら、光角が、オプティックスがイメージ減少２次元ＣＣＤ検出器を用いるという点で集光オプティックスにより限定されるからである。さらに、’１４８号特許の装置は、２つのレーザーラインに由来する情報が、ビームの空間的分離；不必要に複雑な２のレーザーのための照射状態のために時間的に変動し、集光オプティックスは、効率的でないのに加えて非常に複雑である点で不十分である。発明の要約本発明の目的は、単純で、費用が効率的な様式の、高い水平および垂直分解能が可能である生物学的分子の分析用装置を提供することにある。垂直面中で行われる電気泳動について議論するが、以下のことは、水平面内で実行される電気泳動にも等しく適用されることを銘記すべきである。さらに、明瞭さのためおよび適用の重要性のために、ＤＮＡ配列決定につき議論する。この提示は、決して本発明の範囲を限定するものと解釈されてはならない。本発明は、マッピングおよびフィンガープリンティング技術のごとき配列データを含むまたはそれに関する技術と同様、例えばＲＮＡ配列データの決定のごとき他のタイプの生物学的分子の分析への、等しく価値のある潜在的適用を有する。加えて、本発明は、蛍光標識に加えて他のさまざまなフォトン放射検出技術とともに使用することができる。本発明の装置は、簡便だがエレガントで費用の面で効率的である様式で、励起した発蛍光団標識ＤＮＡ断片によって蛍光検出系上に放出される蛍光を収束するための大量生産される光学的部品の使用によりその目的を達成する。本発明の装置は、ＣＣＤおよびダイオード／増幅器をベースとする蛍光検出システムと組み合わせて記載されるが、それは、いかなるデザインの蛍光検出システムと組み合わせても有効に使用できると考えられる。ＣＣＤおよびダイオード／増幅器をベースとした蛍光検出システムの議論において以前述べたように、水平分解能の増加は、蛍光検出システムを、より多い光を検出器に収束させるであろうより高い効率の光学的システムと組み合わせることにより得られる。自動化ＤＮＡ配列決定機の光学システムにおける、エヌエスジー・アメリカ・インコーポレイテッド(NSG America，Inc.)から入手可能な，ＳＥＬＦＯＣレンズアレイ（ＳＬＡ）のごときグラジエントインデックス（gr adient index）(GRIN)レンズのアレイの使用により、イメージがほぼ単一の倍率比で蛍光検出器上に収束することが可能になる。低い光強度状態における蛍光の検出のためにそのようなレンズアレイを用いる最も重要な利点は、それらの高い開口数にあり、これによって、この適用において使用されるより伝統的なレンズよりも、検出器に対してより大きいパーセントの蛍光を送ることを可能とする。そのようなレンズアレイの他の利点は、それらが広く用いられ、非常に得やすいだけでなく、それらの適応性により、ＣＣＤまたはダイオード／増幅器をベースとする検出システムを含めた多くの検出システムで同様に用いることが可能となることにある。全ての標準的なオプティックスについて、ＳＬＡの特徴的明るさは、開口数（ＮＡ）によって与えられる。ＳＬＡは２つの様式−視野もしくは線の走査様式で操作することができる。線走査作様式のＮＡは、視野走査様式のそれよりも通常高い。ＣＣＤをベースとする検出システムと共に用いる場合、ＳＬＡは線走査様式で操作する。ＣＣＤの小さいピクセルサイズ、例えば５０μｍのため、検出器は線のみを「見る」。対照的に、ＳＬＡをダイオード／増幅器アレイと組み合わせて用いる場合、視野走査様式を用いる。これは、再び、ピクセルサイズの関数である。なぜなら、ダイオードはＣＣＤよりもはるかに大きなピクセルサイズ、例えば３ｍｍであるので、検出器は、それゆえ、より大きい領域を「見る」ことができるからである。ＳＬＡのごときＧＲＩＮレンズは、１またはそれ以上のＳＥＬＦＯＣグレーデッド−インデックス・ミクロレンズの列からなり、各々が等しい寸法で、同一の光学的特性を有する。ＳＬＡを構成する個々のレンズを、２のガラス繊維補強プラスチック板の間に配置する。隙間は黒いシリコーンで満たす。黒いシリコーンの使用は、個々のレンズを保護するだけでなく、レンズ間のフレアーまたはクロストークを防止する。連続する１：１のイメージが、ＳＬＡ中の隣接するレンズ要素からのイメージと重ねることにより形成される。ＳＬＡは、複写機、ＦＡＸ機およびプリンターにおける光学的走査デバイスとして用いられてきた。前記したように、直立した現実のイメージの生成と同様、１：１のイメージングおよび周辺のゆがみのないイメージの高品質のための、高開口の、単純化された系において顕著な光学的利点をもたらす。そのより良い光学的特性を、線形構築、容易な設置（自動的部品組立に適した）、および小さいサイズならびに軽重量のごとき製造での利点と組み合わせると、ＳＬＡタイプのレンズ・アレイは、ＤＮＡ配列決定機におけるそれらの適用によく適合する。また、本発明の範囲で予期されるのは、レンズ・アレイの現行製造の改良である。石板印刷、金属イオンの拡散、熱処理、高い精度の成形、二元オプティックスおよびホログラフィーに基づく新たに開発された技術も、レンズ・アレイ開発に対してインパクトがある。いくつかのより新しい技術を用いて製造したレンズ・アレイは、ＧＲＩＮ・レンズアレイよりむしろクロストークを受けやすいが、突極的にはこのような技術は、本発明の範囲内にある実用的装置に至ることが期待される。ＳＬＡ−ＣＣＤ蛍光検出システム多数のアプローチが、ＣＣＤ検出器を用いるシステムにおける水平分解能の増加を達成するために用いられる。例えば、線−または領域−走査カメラを、ＤＮＡ配列決定機のデザイン中に包めることができる。しかしながら、これまでに記載した自動化ＤＮＡ配列決定機のいくつかのごときそのようなカメラは、イメージ縮小ＣＣＤを用いる。すなわち、カメラ・レンズは、物体を、該物体よりもかなり小さいものとしてＣＣＤ上にイメージする。このデザインから得られる水平分解能の増加は、レンズの低い集光効率によって償われる−光は、ＣＣＤによる蛍光検出のために必要とされる「縮小(demagnification)」工程において失われる。しかしながら、接触イメージングＣＣＤは、物体と同じ大きさであり、ＳＬＡのごとき高開口のレンズ・アレイと共に用いた場合には、低集光能力のイメージ縮小ＣＣＤの限定を有しない。ＤＮＡ配列決定機におけるＣＣＤ検出器およびＳＬＡの組合せは、データ収集および解釈の全効率に関して先行技術のＤＮＡ配列決定システムよりも多数の有意な利点を提供する。ＳＬＡは、検出システムによって捕捉されるべき１０倍までも多くの蛍光を可能とする。レンズ・アレイが１：１イメージングに開口を供するという事実は、有意に増加した感度でＣＣＤを作動させることを可能とする。ＳＬＡ−ＣＣＤ検出器の組み合わせの利点の１つおよび、先行技術の概説から予期されない利点は、ＣＣＤが装置中に冷却手段を含有することなく効率的に機能する能力である。ＳＬＡは、ＣＣＤ上に収束される光量の顕著な増加を可能とするが、ＣＣＤのノイズに対するシグナル比は、冷却を提供する必要なしに、許容される制限の中にある。冷却手段の供給は、ノイズに対するシグナル比におけるさらなる改良に至る。許容される結果が、冷却の必要無しに得られるという事実は、ＤＮＡ配列決定機の製造の費用および複雑さの減少を与える。レンズ・アレイおよびＣＣＤをベースとする基礎検出器の組合せの使用によるシステムによって与えられる感度の増加の結果として、より信頼できる定量的情報が、ゲルマトリックスを通したＤＮＡ試料の電気泳動から得られる。例えば、球状バンド、勾配のあるバンド、レーン内スマイリング(smiling)およびレーンを横切っての試料の不均一な分布のごとき最適下電気泳動条件から生成する人工物につき補正することができる。このように、信頼できるＤＮＡ配列情報が、他ではあいまいなデータを与える電気泳動的状条から得ることができる。しかしながら、ＳＬＡ−ＣＣＤ検出器組合せを用いるＤＮＡ配列決定装置によって得られるデータの有用性は、得られるＤＮＡ配列データの精度の増加には限定されない。例えば、該組合せから得られる個々のバンド中のＤＮＡのよりよい定量化を、配列決定されるべきＤＮＡ鎖の通常の局所的構造に関するデータと同様、配列決定反応において用いられる酵素の効率についてのデータを提供するのに用いることができる。このような情報は、ゲル・マトリックスを通した標識ＤＮＡ断片の電気泳動から読まれる塩基配列中のあいまいなストレッチを解読するために用いられる方法の効率をさらに増強するための近代的なデータ分析アルゴリズムによって使用することができる。本発明のシステムによって得られるデータが非常に貴重である他の領域は、対立遺伝子分析および断片マッピング、ヘテロ接合体の検出およびウイルス突然変異および集団の分析を含む。該システムはそれゆえ、デ・ノボ(de novo)のＤＮＡ配列決定に加えて、父系試験法、法医学的薬、病気および遺伝子中の癌誘導変異の臨床的評価、治療法の間の抗ウイルス薬耐性誘導変異の評価、蛋白質／ＤＮＡ相互作用分析、および細菌の指紋法を含むが、これらに限定されない種々の領域において多数の適用を有する。ＳＬＡ−ＣＣＤ蛍光検出システムを用いるＤＮＡ配列決定機は、ゲル電気泳動における改良に適用可能なだけでなく、以前に言及されたように、それらの実行によって実際により効率的となるであろう。ゲル組成、負荷および電気泳動状条のごとき現在の電気泳動技術の改良は、例えば、バンドの幅を減少させることにつながるであろう。いくつかの現在入手可能なＤＮＡ配列決定機は、それらの垂直方向分解能が限定され、それゆえそのような改良の利点を得ることができない。しかしながら、本発明のシステムにおいては、システムの検出器の空間的なバンドの幅を規定するのは、検出の手段であって、レーザービームではない。この理由のために、システムの分解能は、電気泳動技術の改良により増加すべきポテンシャルを有し、突極の結果として、許容できる時間内に、１０００塩基以上の配列データを信頼性よく読むことができる能力を有する。この許容能力は、検出分解能の増加のみに起因するものではなく、ゲルにおける滞留時間の減少によるものである。負荷するバンドが最適に狭いと仮定すると、この組合せは拡散の減少につながり、したがって、バンドの幅の減少につながる。現在のマルチ・フォトダイオード器具において、レーザービームは、感度に影響することなく、幅の限度の中で、垂直面中をふらつかせることができる。この利点は、放射パスの比較的大きな口径の結果として生じる。しかししながら、１：１イメージングＣＣＤの場合には、ＣＣＤは、システム内の限定的口径となる（典型的には、これは、垂直寸法における５０μｍのオーダーにあるＣＣＤピクセル・サイズの関数である）。したがって、該レーザーは、例えば、ゲルへの入り口で作動する鏡の使用により、正確に、検出器に対し一直線でなければならない。一直線誤差信号は、ＣＣＤの各末端における、または、この目的のための専用ダイオードを通ってのピクセルに由来しうる。レーザーのふらつく傾向は、一直線が、標識ＤＮＡ断片の電気泳動的分離の間に進行する過程であるべきか否かを決定する上で主たる要素である。レーザーのふらつきは、ゲル組成の機能および／またはレーザー／色素の組合せの関数で有り得る。スペクトルの赤色端のレーザーを用いる場合、例えば、電気泳動的分離の開始における初期の調節が、必要とされる全てである。スペクトルの赤色およびＮＩＲ領域において使用可能なダイオードレーザーは、単純な多波長の励起を可能とする高振動数の１００％の変調を可能とする。異なる波長の２またはそれ以上のレーザービームを、１方または両側の側面から、ゲルを通って共軸で照射することができる。レーザーの１００％の変調は、各レーザービームが、時間内に分離されつつ、同一空間のパスを共有することを可能とする。このことにより、検出器のデザインのかなりの単純化を可能とする。レーザービームは、’１４８号特許の検出器のように空間的に分離してないので、信号は、時間内に重ねることができ、放射された蛍光は、効果的に集められ、上記で述べた単一または複数の線のＣＣＤ上に、フィルターを通して約１：１に再収束される。レーザー・ダイオード、赤色および近赤外線（ＮＩＲ）蛍光色素、多色スキャナーおよび光学的フィルターデザインの分野におけるいくつかの最近の技術的開発は、本発明の検出システムの性能のさらなる増加を可能とする。色のスキャニングのための接触イメージングＣＣＤが、２つの配置にて現在利用できる：３つの線のＣＣＤ、これは各線が、それ自身のバントパスフィルターで、望まない波長の光を選択して除き；１本の線のＣＣＤ、これはバンドパスフィルターの変化するストライプを有する。いずれのタイプのＣＣＤも、１つの小さい修飾、例えば、選択した色素へのバンドフィルターの適合を持ち、複数の色素検出を可能とする。別法として、１の線のＣＣＤと組み合わせたマルチノッチ・フィルターは、１を超える励起波長の使用を可能とする。ＳＬＡ−ＣＣＤ検出システムを組み込んだＤＮＡ配列決定装置のもう１つの利点は、垂直方向の、および水平方向の分解能が限定されない事実から生じる。結果として、試料の負荷のために利用できるレーンがゲル上にさらに設けられ、より多くの情報が単一のゲルから得られる。タイオード／増幅器蛍光検出システム前記したように、信号増幅器およびダイオードを単一のモジュール構造または代わりに複数の外部増幅装置と組み合わせたダイオード・アレイ・アセンブリーに組み込むことができることは、ダイオード／増幅器基礎蛍光検出システムが、ＤＮＡ配列決定機におけるそれらの使用を従前限定してきたいくつかの物理的制約を克服することを可能とした。新しいダイオード／増幅器組合せのよりコンパクトな構造により、全ゲル幅が検出器によってカバーされることが可能となる。それに加えて、検出器のスタッキング高は、５ｍｍ未満である。このことにより、レーザーからの光が、２つのビーム間の遅延時間を最小とする１つの標準光カップリング・プレートを通してカップリングできるシステムにおいて１またはそれ以上の色素を分析できる非同軸ビームを用いるＤＮＡ配列決定機を設計する能力が与えられる。ＳＬＡ−ダイオード／増幅器検出システムを用いるＤＮＡ配列決定機に含まれるレンズ・アレイは、通常、約６列のＧＲＩＮレンズを含む。列の正確な数は、検出器ピクセルサイズ（ＤＮＡ移動の方向と平行な寸法）の関数である。上述のように、ＳＬＡは、ダイオード／増幅器検出システムと組み合わせた場合に、視野走査様式で作動する。ＳＬＡをダイオード／増幅器検出システムと組み合わせて含む、ＤＮＡのごとき生物学的分子のための検出システムを用いる主たる利点の１つは、システムの動的範囲、ＣＣＤ−レンズ・アレイの組合せのそれと比較したシステムの増加した観察容量の産物にある。ＳＬＡ−ＣＣＤの組合せを含む装置とは異なり、ＳＬＡ−ダイオード／増幅器装置は、その比較的大きい視野（前述のごとく、これは、ＣＣＤにおいて５０μｍであるのと比較して、例えば、フォトダイオード／増幅器において約３ｍｍであるピクセルサイズの関数である）のために、レーザーの動きを寛容する。ＳＬＡ−ダイオード／増幅器組合せのもう１つの利点は、電気泳動のための各試料容量を持つ広いゲルの使用において、およびいわゆるレーザーの「ベンディング」が起こる例において見い出される。レーザーのベンディングは、通常、レーザーを約２時間使用してきた場合に、電気泳動の間に起こる。ビームは、レーザーが最初に上を指している場合には上方に曲がるであろうし；それが最初に下を指している場合には下に曲がるであろうし；走査が開始した時点において、ただわずかに上または下を指しているにすぎない場合にも起こるであろう。ベンディングは、レーザーの入射角を調整することによっては修正することはできない。ベンディングは、電気泳動が停止されてから２分以内に消失するが、電場が再びかけられた場合に再び現れる。継続したベンディングを防止する唯一の方法は、ゲルの位置を、レーザービームがゲルの新しくて影響されていない部分に接触可能なように変化させることである。ＳＬＡ−ＣＣＤ組合せの議論において言及したように、レーザービームのベンディングは、使用されるゲル・マトリックスおよびレーザー／色素システムのタイプに依存することが判明した。例えば、ベンディングは、フルオレセインがアルゴンレーザ（４８８ｎｍ）により励起された場合に最も強く起こり；テトラメチルローダミンがＨｅ−Ｎｅレーザー（５４３ｎｍ）により励起された場合には、より少なく；テキサスレッドが黄色のＨｅＮｅレーザー（５９４）によって励起される場合には、最小に過ぎず；６３３ｎｍにおいてＣＹ５色素ではかすかである。レーザー入射点に近いゲルを通って移動する試料は、ゲルの反対側における試料のそれよりも影響は少ない。ＳＬＡ−ダイオード／増幅器組合せは、検出器の視野が、レーザービームの大きい偏りを除き全てを含む点において、レーザー・ベンディングの有害な影響を妨害する点で有用である。しかしながら、この利点は、レーザー・ベンディングが問題となる、上記で議論した例に限定される。それは多くの利点を有するが、ＳＬＡ−ダイオード／増幅器組合せは、依然として費用がかかり、垂直方向および水平方向の分解能において限界がある。さらに、該組合せを含むＤＮＡ配列決定機は、ＳＬＡ−ＣＣＤ組合せで上述したゲル技術の改良に適合させることができないであろう。両組合せは、先行技術を上回る改良であるＤＮＡ配列決定機を生み出すが、（ダイオード／増幅器またはＣＣＤ検出器と）ＳＬＡとの２つの各組合せは、その使用と関連する利点および不利な点を有する。（レーザー波長、ゲルタイプ、および色素の関数である）ビームのふらつきと関連する因子と同様、費用、感度、必要とされる水平方向および垂直方向の分解能の程度のごとき多数の要素の相対的重要性に依存して、いずれかの組合せが大なり小なり好ましい。ＳＬＡの、ＤＮＡ配列決定機への組込は、様々な改良を可能とする、鍵となる要素である。図の簡単な説明図１は、本発明のゲル電気泳動のための装置のレーザー、光学ＣＣＤ検出器およびデータ照合構成要素のレイアウトを示すスケッチである。図２（ａ）は、ビームのふらつきの検出および修正のための、ＣＣＤ要素上の光線感知ピクセルおよびフィードバックループシステムの組成の配列を示す模式的ダイアグラムである。図２（ｂ）は、ビームのふらつきの検出および修正のための、ＣＣＤ要素上の位置感知性ダイオードおよびフィードバックループシステムの組成の配列を示す模式的ダイアグラムである。図３（ａ）は、本発明のゲル電気泳動装置のレーザー、光学的ＣＣＤ検出器およびデータ照合構成要素のレイアウトを示し、ここに２つの別のレーザー光源からの光が、２の異なった領域の電気泳動ゲルのゲル電解質の層を照射する。図３（ｂ）は、本発明のゲル電気泳動装置のレーザー、光学的ＣＣＤ検出器およびデータ照合構成要素のレイアウトを示し、ここに、３つの別々のレーザー光源からの光が、電気泳動ゲルのゲル電解質層が単一の領域において照射されるように組み合わされる。図４（ａ）は、単一の線ＣＣＤ要素の上の色フィルターの配列の模式的ダイアグラムである。図４（ｂ）は、スタックされたＣＣＤ要素上の色フィルターの配列の模式的ダイアグラムである。図５は、本発明のゲル電気泳動の装置の、レーザー、光学的、フォトダイオード／増幅器検出器およびデータ照合構成要素のレイアウトを示すスケッチである。図６（ａ）は、本発明の一体化されたフォトダイオード／増幅器モジュール検出器のフォダイオードおよび増幅器構成要素の配列の模式的ダイアグラムである。図６（ｂ）は、本発明の一体化されないフォトダイオード／増幅器検出器のフォトダイオードおよび増幅器構成要素の配列の模式的ダイアグラムである。図７は、本発明のゲル電気泳動の装置のレーザー、光学的、フォトダイオード／増幅器検出器およびデータ照合構成要素のレイアウトを示すスケッチであり、ここに、２つの異なるレーザ光源からの光が、２つの異なる領域の電気泳動ゲルの電解質層を照射する。図８（ａ）は、ＣＣＤ検出器を用い、図１ないし３に記載される本発明の具体例の出力の例である。図８（ｂ）は、これは、フォトダイオード／増幅器検出器を用い、図５ないし７に記載される本発明の具体例の出力の例である。発明の好ましい具体例の記述本発明の好ましい具体例は多数の特徴を包含する。本発明の好ましい具体例に表される特徴の具体的な形態は、ＤＮＡ配列決定、特に、サンガー(Sanger)らの方法を用いて調製した発蛍光団標識ＤＮＡ断片の分離からの配列情報の決定のための装置としての使用と関連する。この適用は、その普及した使用および重要性のために選択された。他の適用において、他の具体的な形態が好ましいであろう。さて、図面を参照し、ここに、同部品は同数字によって示される。図１を参照し、試料は、当業者によく知られた構成要素からなり、標準的方法により組み立てられる電気泳動装置１２中に含まれるポリアクリルアミドゲル１６の頂部に位置する所定数の試料負荷ウェル１０中に負荷される。該ポリアクリルアミドゲルを、電極タンクの電解質中のその反対側の端部に浸す。電源によって、電極タンクを横切って印加される電圧は、試料を、ゲル電解質層１６内を移動させる。複数の平行な移動レーン１８が形成されるように２つの電気泳動プレート１７’、１７”の間に位置したゲル電解質層１６を通って下向きの方向に試料が移動する。これらの平行移動レーン１８は、試料負荷ウェル１０の位置に実質的に対応する。４００ないし９００ｎｍの波長範囲において作動する単一のレーザー光励起源からの光、（６３３ｎｍの波長において作動するＨｅ−Ｎｅレーザーのごとき）１９は、レンズ２０によって収束され、最終的に、所定の線形照射領域２２において、２つの電気泳動プレート１７’、１７”の間に位置するゲル電解質層１６に照射されるように、ビームディレクター２１を通り抜けて進む。単一のレーザー光励起源１９からの光が、２つの電気泳動プレート１７’、１７”の間に位置するゲル電解質層１６を通って移動する発蛍光団標識ＤＮＡ断片２３を励起する時、蛍光が発蛍光団標識断片２３から放射される。励起された発蛍光団標識ＤＮＡ断片２３から放出された蛍光は、電気泳動プレート１７’、１７”に対して後部の位置に位置する光収集および収束レンズ・アレイに入り、直線照射領域２２に平行な方向に拡大する。励起された発蛍光団標識ＤＮＡ断片２３から放出された蛍光は、光収集および収束レンズ・アレイ２４により集められ、フィルター配列２５の上に収束され、次いで、ＣＣＤ要素２６の上に収束する。光収集および収束レンズ・アレイ２４は、実質的に等しい寸法であって、実質的に同一の光学的特性を有する個々のＳＥＬＦＯＣグレーデッドインデックスのミクロレンズ２８からなるグラジエントインデックス・レンズ・アレイからなる。個々のレンズ２８は、２つのガラス繊維強化プラスチックプレート２９、３０の間に一直線に整列させる。隙間３１は、黒いシリコーンで充填する。グラジエントインデックス・レンズ・アレイは、ＣＣＤ要素２６上に収束された、ほとんど単一の倍率の光を供する。ＣＣＤ要素２６は、複数の感光性セルまたはピクセル３２に分けられる。温度が上昇するにつれ、暗電流の量が増加しながらＣＣＤ要素２６を流れ、それによりその効率を低下させる。この問題を解決するために、ＣＣＤ要素２６を、常に所定の温度範囲内で操作できるように、ペルティエ・デバイス３３で冷却するように適合させることができる。冷却効率を増強させるために、ヒート・シンク３４を、ペルティエ・デバイス３３に含ませる。蛍光の線イメージを集め、光収集によりＣＣＤ要素２６に収束させ、収束レンズ・アレイ２４を電気的信号に変換し、これを次いでモニター３６に表示し、コントローラー３５およひデジタル・データ・プロセッサー３７に供給する。デジタル・データ・プロセッサー３７は、蛍光の線イメージの強度における一時的な変化をモニターし、結果を、データを判読可能形態に再生するプリンター３８のごときデバイスに供給する。ある適用において、ビームの放浪を防ぐための正確な制限内で、レーザー光励起源１９からのビームを維持することが好ましいであろう。図２（ａ）に示されるように、これは、専用ビーム感知ピクセル３９または、図２（ｂ）に示されるように、ＣＣＤ要素２６の反対側の端部にある、別の位置の感知性ダイオード４０を含めることにより達成される。ビーム感知ピクセル３９または位置感知性ダイオード４０からの信号を用いて、フィードバック系において、レーザー・ビーム検出器または検出器位置アクチュテーター４２のごとき当業者のごとき当業者によく知られた他の構成要素を制御して、レーザー光励起源１９からのビームを検出器手段２６に対して所定の限界内に維持することができる。他の適用において、１を超えるレーザー光励起源を用いることが好ましいであろう。多数のレーザー光励起手段が、図３（ａ）および３（ｂ）に示される。図３（ａ）は、励起が、２つの別のレーザー光源１９、１９’の利用により行われるシステムを示す。２つのレーザー光励起源１９、１９’からの光は、２つの、異なる所定の線状の照射領域４３、４４において、２つの電気泳動プレート１７、１７”間に位置するゲル電解質層１６に当たる。励起された発蛍光団標識ＤＮＡ断片２３によって放射される蛍光は、光収集および収束レンズ・アレイ２４によって集められ、光フィルター４５、４６を通って収束され、次いで２つのＣＣＤ要素２６、２６’に収束される。別法として、図３（ｂ）に示されるように、２またはそれ以上のレーザー光励起源１９’、１９”、１９'"からの光を、合わせた光線が、単一の所定線状照射領域４８において、２つの電気泳動プレート１７’、１７”間に位置するゲル電解質層１６に当たるように、ビーム組み合わせ要素４７中で組み合わせることができる。励起された発蛍光団標識ＤＮＡ断片２３によって放射される蛍光を、光収集および収束レンズ２４によって集め、収束させ、複数のノッチ光フィルター５２を通って収束させ、次いで、単一のＣＣＤ要素２６に収束させる。図３（ａ）または３（ｂ）に示したいずれの装置についても、ＣＣＤ要素を、ペルティエ・デバイス３３および熱−シンク３４によって冷却することができる。図３（ａ）または３（ｂ）のそれぞれに示した装置内の励起された発蛍光団標識ＤＮＡ断片２３によって放射された蛍光は、特異的な色フィルター４５、４６に複数のＣＣＤ要素をマッチさせることにより、または、当業者によく知られている技術により、ＣＣＤ要素２６上に置かれている多色フィルター５０の組込により修飾されたＣＣＤ要素の使用により、検出することができる。図４（ａ）において、多色フィルター５０は、単一の線ＣＣＤ要素２６において、フィルター１０１、１０２、１０３として示される。代わりに、図４（ｂ）に示されるように、ＣＣＤ要素は、各ＣＣＤ要素をコートするのに用いたのと同じ基材および単色フィルター２０１、２０２、２０３の上にしっかりと積み重ねることができる。光線の次元に依存して、この組合せは、図３または図７のレーザー配置の組み合わせて用いることができるであろう。図５に示される本発明のもう１つの別の具体例において、当業者に公知の構成要素からなり、標準的な方法によって組み立てられた電気泳動装置１２に含まれるポリアクリルアミドゲル１６の頂部に位置する、所定数の試料負荷ウェルに試料を負荷する。ポリアクリルアミドゲル１６を、電極タンク中の電解質中のその反対側の端部において浸す。電源によって電極タンクを横切って印加された電圧により、試料は、ゲル電解質層１６中を移動する。試料は、複数の平行移動レーン１８が形成されるように、２つの電気泳動プレート１７’、１７”の間に位置するゲル電解質層１６を通って下向きの方向に移動する。これらの平行移動レーン１８は、試料負荷ウェル1０の位置に実質的に対応する。（６３３ｎｍの波長で働くＨｅ−Ｎｅレーザーのごとき）４００ないし９００ｎｍの波長範囲で作動する単一のレーザー励起源１９からの光を、集光レンズ２０によって収束させ、最終的には、それが、所定の線状照射領域２２において、２つの電気泳動プレート１７’、１７”間に位置するゲル電解質層１６中に照射されるように、ビーム検出器２１を通って進ませる。単一のレーザー光励起源１９からの光が、２つの電気泳動プレート１７’、１７”間に位置するゲル電解質層１６を通って移動する、発蛍光団標識ＤＮＡ断片２３を励起する場合、蛍光は、発蛍光団標識ＤＮＡ断片２３から放射される。励起された発蛍光団標識ＤＮＡ断片から放射される蛍光は、光収集および収束レンズ・アレイ２４に当たり、これは、電気泳動プレート１７’、１７”に対して後ろの位置にあり、線状放射領域２２に対して平行方向に延びる。励起された発蛍光団標識ＤＮＡ断片２３から放射された蛍光を、光収集および収束レンズ・アレイ２４によって集め、フィルター配列２５上に収束させ、次いで、フォトダイオード／増幅器アセンブリ−５５に収束させる。光収集および収束レンズ・アレイ２４は、実質的に等しい寸法で、実質的に同一の光学特性の、個々のＳＥＬＦＯＣグレーデッド−インデックスミクロレンズ２８からなる、グラジエントインデックス・レンズのアレイからなる。個々のレンズ２８を、ガラス繊維強化プラスチックプレート２９、３０の間に一直線に配列する。隙間３１を黒いシリコーンで充填する。グラジエントインデックス・レンズ・アレイは、フォトダイオード／増幅器アセンブリー５５上に、ほぼ単一の倍率の光を供する。図６（ａ）および６（ｂ）に示されるように、フォトダイオード／増幅器アセンブリー５５は、２の方法で配置することができる。図６（ａ）において、フォトダイオード／増幅器アセンブリーは５５は、１またはそれ以上の列の、一体化されたフォトダイオード／増幅器モジュール５６からなる。個々の一体化されたフォトダイオード／増幅器モジュールは、信号マルチプレクシング５９およびダイオードチップ６０に必要なエレクトロニクスと組み合わせた信号増幅器５８からなる。個々のダイオードチップ６０は、各々、均一なサイズの単一のピクセル６１を含む。図６（ｂ）に示されるフォトダイオード／増幅器アセンブリー５５は、各々、異なる増幅器およびダイオードモジュール６２、６３からなる。ダイオードモジュール６３は、均一なサイズの、１またはそれ以上の列のフォトダイオード６１からなる。ダイオードモジュール６３は、増幅器モジュール６２と組み合わせる。増幅器モジュール６２は、統合された検出器増幅器５６および信号マルチプレキサー５９からなる。ある適用において、２またはそれ以上のレーザー光励起源１９を用いて、２つの電気泳動プレート１７’、１７”の間に位置するゲル電解質層１６を通って移動する際に、発蛍光団標識ＤＮＡ断片２３を励起することが好ましい。図７は、２つの、異なる、所定の線状照射領域４３、４４における、２つの電気泳動プレート１７’、１７”の間に位置するゲル電気泳動層１６に当たる、２つの個々のレーザー光励起源１９、１９’を示す。励起された発蛍光団標識ＤＮＡ断片２３から放射された光を、光収集および収束レンズ・アレイ２４によって集め、各々、線状照射領域４３、４４のうちの１つから放射される蛍光を検出するように位置する、２のダイオード／増幅器アセンブリー６５、６６上の光フィルター４５、４６を通して収束させる。フィルター配置５０は、図４（ａ）および４（ｂ）に前記した。図１ないし３に記載したＣＣＤタイプの検出器からの試料出力は、図８（ａ）に示す。図５および７に記載した多数ダイオードタイプの検出器からの試料出力は、図８（ｂ）に示す。本発明が、ある好ましい具体例によって記載されてきたが、他の、およびさらなる修飾を、本発明の見地を減少させることなく行うことが可能であり、これは、以下の請求の範囲に表される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者マーレイ，アンソニー・ジェイアメリカ合衆国08855ニュージャージー州ピスカタウェイ、センテニアル・アベニュー800番ファルマシア・ユナイテッド・ステイツ・インコーポレイテッド (72)発明者シュテゲマン，ヨーゼフドイツ連邦共和国デー−69118ハイデルベルク、ハオスアッケルヴェーク28番 (72)発明者アンゾルゲ，ヴィルヘルムドイツ連邦共和国デー−69251ガイベルク、ハイデルベルク・シュトラーセ49番

Claims

【特許請求の範囲】１．ゲルマトリックス手段への電位手段の適用による電気泳動経路中の標識された生物学的分子の分離のための該ゲルマトリックス手段を有し、光発生手段が、標識生物学的分子を、それがゲルマトリックス手段中を移動する際に励起し、収集および収束手段が、励起された生物学的分子により放出された出力信号を収集し、収束させ、検出手段および保存手段が、標識された生物学的分子の該励起から収集された該信号を検出し、保存し、分析するタイプの、生物学的分子の分析のための改良された装置であって、該標識生物学的分子によって放出される出力光信号を収集し、電気泳動移動の対応する経路が、それぞれ独立して検出され得るように、該ゲルマトリックス手段を横切って伸びる線状の領域に沿って該出力シグナルを収束させるための、実質的に単一の倍率のレンズ・アレイからなることを特徴とする該装置。２．該電位手段を、垂直面内の該マトリックスの空間的に離れた部分にカップリングさせた２つの電極からなる請求項１記載の装置。３．該電位手段を、水平面内の該マトリックスの空間的に離れた部分にカップリングさせた２つの電極からなる請求項１記載の装置。４．該光発生手段が、レーザー手段からなる請求項１記載の装置。５．該光発生手段が、異なる波長の光を該マトリックス手段に同軸的に照射するための１００％の変調が可能な、少なくとも１つのレーザー手段からなる請求項１記載の装置。６．該光発生手段が、波長範囲４００−９００ｎｍで作動する少なくとも１つのレーザー手段からなる請求項１記載の装置。７．該光発生手段からの光が、該標識生物学的分子の該電気泳動的経路に実質的に垂直な方向において、該ゲルマトリックス手段に水平に照射される、請求項１記載の装置。８．該光発生手段からの該出力が、該標識生物学的分子の該電気泳動的経路に実質的に垂直な方向に照射される請求項１記載の装置。９．該標識生物学的分子を、該電気泳動的経路に沿った所定の位置において励起し、該標識生物学的分子が、それに応答して検出可能な出力を放出する請求項１記載の装置。１０．該収集および収束手段の該レンズ・アレイが、少なくとも１列のグレーデッド−インデックス・ミクロ−レンズまたは同様の機能の収束手段からなる請求項１記載の装置。１１．該収集および収束手段の該レンズ・アレイが、該標識生物学的分子の分離のために用いられる該ゲル・マトリックスの線状放射領域の反対の末端からの出力信号を検出するのに十分な長さのアレイを形成する所定数のレンズからなる請求項１記載の装置。１２．該検出手段が、ＣＣＤ感知手段と組み合わせたフィルター手段からなり、該ＣＣＤ感知手段が、所定数のピクセルとして検出可能な該ゲルマトリックスの線状照射領域からの出力信号を供するのに十分なセルを含む請求項１記載の装置。１３．該ＣＣＤ感知手段が、雰囲気温度にて作動可能な請求項１２記載の装置。１４．該ＣＣＤ感知手段が、さらに、補足的な冷却手段からなる請求項１２記載の装置。１５．該検出器手段が、少なくとも１列のダイオード／増幅器モジュールと組み合わせたフィルター手段からなり、該ダイオードが、実質的に均一なサイズのピクセルを含有する請求項１記載の装置。１６．該検出器手段が、外部増幅器モジュールに連結した少なくとも１列のダイオードモジュールと組み合わせたフィルター手段からなり、該ダイオードモジュールが、実質的に均一のサイズのピクセルを含む請求項１記載の装置。１７．該ダイオード／増幅器モジュールの列が、該ゲルマトリックス手段の線状照射領域の反対側の末端からの出力信号を検出するような長さである請求項１６記載の装置。１８．該感知手段からの信号が、デジタルデータプロセッサー手段と結び付けられた請求項１記載の該装置。１９．該生物学的分子に取り込まれた該標識が、少なくとも１の蛍光色素からなる請求項１記載の装置。２０．該生物学的分子へ取り込まれた該標識が、蛍りん光体である請求項１記載の装置。２１．該生物学的分子が、細菌、核酸および蛋白質よりなる群から選択される請求項１記載の装置。２２．該分離手段が、キャピラリー手段、スラブ手段およびチャンネル手段よりなる群から選択される請求項１記載の装置。２３．該検出手段中の該レンズ・アレイの反対側の末端に位置する、所定数の個々のレンズが、該光発生手段からの該光を感知するために設けられ、該個々のレンズが、規定された垂直パラメーター内の該光発生手段を一直線に整列させるためのフィードバックシステムの一部を形成する請求項１記載の装置。２４．ゲルマトリックス手段への電位手段の適用による、電気泳動経路における標識された核酸分子の分離のための該ゲルマトリックス手段を有し、光発生手段が、標識核酸分子を、それが該ゲルマトリックス手段を移動する際に励起し、収集および収束手段が、励起された該核酸分子により放出された出力信号を収集し、収束し、検出、保存および表示手段が、標識された核酸分子の該励起から収集された該出力信号を検出し、保存し、表示するタイプの、核酸の配列決定のための改良された装置であって、該装置が、さらに、該光発生手段からの出力を該核酸標識分子の該移動の方向に対し実質的に直角な方向に照影する手段；および核酸の該標識分子から放射される信号を収集および収束する手段であって、該収集および収束手段が、少なくとも１列のグレーデッド−インデックス・ミクロレンズまたは同様の機能の収束手段からなり、該収集および収束手段が、実質的に単一の倍率の信号を供する該手段からなることを特徴とする該装置。２５．該核酸が、ＤＮＡおよびＲＮＡよりなる群から選択される請求項２４記載の装置。２６．該標識が、少なくとも１つの蛍光色素からなる請求項２４記載の装置。２７．該標識が蛍りん光体である請求項２４記載の装置。２８．該光発生手段がレーザー手段からなる請求項２４記載の装置。２９．該光発生手段が、異なる波長の光を該ゲルマトリックス手段へ同軸的に照影するための１００％変調することが可能な少なくとも１つのレーザー手段からなる請求項２４記載の装置。３０．該光発生手段が、波長範囲４００−９００ｎｍで作動する少なくとも１つのレーザーからなる請求項２４記載の装置。３１．該光発生手段からの異なる波長の該出力が、該標識核酸分子の電気泳動的経路に実質的に垂直な方向にて、該ゲルマトリックス手段に同軸的に照影される、請求項２４記載の装置。３２．少なくとも１つの該光発生手段からの光が、該核酸標識分子の該電気泳動的経路に実質的に垂直な方向にて、ゲルマトリックス上に水平に照影される請求項２４記載の装置。３３．ゲルマトリックス手段への電位手段の適用により、実質的に平行な電気泳動的経路における標識された核酸分子の分離のための該ゲルマトリックス手段を有し、光発生手段が、標識核酸分子を、それが、該ゲルマトリックス手段を移動する際に励起し、収集および収束手段が、励起された該核酸分子により放出された出力シグナルを収集し、収束し、検出、保存および表示手段が、標識された核酸分子の該励起から収集された該出力信号を検出し、保存し、表示するタイプの、核酸の配列決定のための改良された方法であって、さらに、該核酸標識分子の該移動の方向と実質的に直角な方向に該光発生手段からの出力を照影し；該標識核酸分子が、該電気泳動的経路中を所定方向に移動する際に該標識核酸分子を、該光発生手段で励起し、電気泳動的移動の各経路を形成するピクセルを表示する信号が、お互いに独立して検出できるように該ゲルマトリックス手段を横断する所定の線状領域に沿って、該光発生手段による励起の結果としての該標識核酸分子から放射された光信号を検出することからなる該方法。３４．該標識核酸分子が、ＤＮＡおよびＲＮＡよりなる群から選択される請求項３３記載の方法。３５．該核酸分子に取り込まれる該標識が、少なくとも１つの蛍光色素からなる請求項３３記載の方法。３６．該核酸分子に取り込まれる該標識が蛍りん光体である請求項３３記載の方法。３７．該光発生手段が、レーザー手段からなる請求項３３記載の方法。３８．該光発生手段が、異なる波長のレーザービームが、同軸的に、該ゲルマトリックス手段に、該標識核酸分子の電気泳動的経路に実質的に垂直な方向にて照影されるように、少なくとも１つの１００％変調可能なレーザーからなる請求項３３記載の方法。３９．該光発生手段からの光が、該標識核酸分子の電気泳動的移動経路に実質的に垂直な方向において水平に、該ゲルマトリックス手段に照影される請求項３３記載の方法。４０．該標識核酸分子が、該標識核酸が出力信号を放出するように、該電気泳動的移動経路に沿った所定位置で励起される請求項３３記載の方法。４１．該標識核酸分によって放出された光信号を、レンズ・アレイで収集し、ＣＣＤ検出器にイメージし、該レンズアレイが該光信号シグナルの実質的に単一の倍率を供する請求項３３記載の方法。４２．該標識核酸分子によって放出された光信号をレンズ・アレイに収集し、増幅器／ダイオード検出器上にイメージし、該レンズ・アレイが、該光信号シグナルの実質的に単一の倍率を供する請求項３３記載の方法。