JPWO2015097791A1 - マイクロチップとその製造方法、及びマルチチャンネル蛍光検出装置 - Google Patents
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Abstract
Description
レーザビームをライン状に拡大して複数のチャンネルを同時照射している場合と,レーザビームを円状に拡大して複数のチャンネルを同時照射している場合がある。レーザビームを単一のチャンネルに絞って照射する場合と比較すると,N本のチャンネルを同時照射する場合,レーザビーム強度密度は,ライン状に拡大すると(1/N)以下に,円状に拡大すると(1/N2)以下に減少する。このため,各チャンネルの蛍光検出感度が低下する。ビーム拡大方式の一形態として,レーザビームを複数本に分割し,それぞれを各チャンネルに照射する場合も考えられ,上記と同様の課題を有する。
レーザビームを単一のチャンネルに絞って照射してスキャンしない場合と比較すると,N本のチャンネルをスキャンによりシリアルに照射する場合,レーザビーム強度の実効密度は(1/N)以下に減少し,各チャンネルの蛍光検出感度が低下する。また,各チャンネルの時間分解能も(1/N)以下となり,計測上で不利になることがある。さらに,スキャン機構が必要となるため,装置が大型化,高コスト化し,故障が多くなる欠点もある。
各チャンネル毎に,最適なレーザや検出器を用いることができれば,いずれのチャンネルにおいても高い蛍光検出感度を得ることができるが,その場合は装置のコストが非常に高くなる。一方,同一チップ上にレイアウトできる複数のチャンネルは互いに近接せざるを得ないため,チャンネル毎に高感度なレーザ照射蛍光検出系を設けることは物理的に困難である。したがって,比較的感度が高くない,小型で低コストなレーザ照射蛍光検出系を採用する必要がある。
エバネッセント波はレーザビーム照射体積を非常に小さくできるため,チャンネル内の溶液に由来した背景光を低減することによって,例えば単一蛍光分子に由来する蛍光を高感度に検出する場合に有利である。しかし,マイクロチップで検出する対象物質は,多くの場合,そのような少数分子ではなく,多数分子である。そのような場合は,レーザビーム照射体積を小さくし過ぎると,逆に感度が低下してしまう。
最も簡便な構成で,最も高感度を期待できるが,各チャンネルの界面でレーザビームが屈折するため,複数のチャンネルを効率良く照射することは困難である。レーザビーム幅を流路幅よりも拡大して照射する場合,レーザビーム強度密度が減少して蛍光検出感度が低下する。特許文献1では,チャンネル間にレンズ又はミラーを挿入することによって,屈折したレーザビームを集光することができ,レーザビームを絞った状態のまま複数のチャンネルを貫通させることができ,高感度な蛍光検出が可能である。一方,特許文献2では,マイクロチップ上の複数のチャンネルではなく,複数のキャピラリを同一平面上に配列した場合の横入射方式が示されている。複数のキャピラリの間にロッドレンズを挿入することよって,屈折したレーザビームを集光することができ,レーザビームを絞った状態のまま複数のキャピラリを貫通させることができ,高感度な蛍光検出が可能である。
n2*sinγ=n1*sinδ (2)
γ=A−β (3)
ε2=α+δ−A (4)
また,射出成形の抜き勾配をDとすると,
A=2*D (5)
が成り立ち,入射レーザビームと底辺が平行であるため,
α=D (6)
が成り立つ。以上より,
ε2=sin-1[sin{2*D−sin-1(sinD*n1/n2)}*n2/n1]−D (7)
と表現される。構成fでは,n2<n1であるため,屈折角はε2<0となり,上述した通り,レーザビーム4はチャンネル2を通過する際に頂角側に,横入射軸から離れる方向に屈折する。さらに複数のチャンネル2を通過する際は上記の屈折角が積算されるため,レーザビーム4は横入射軸から急速に逸脱する。したがって,構成fは,レーザビームを横入射させて複数のチャンネル2を同時照射するには不適切な構成と言える。
ε3=sin-1[sin{2*D−sin-1(sinD*n1/n3)}*n3/n1]−D (8)
と表現される。ここで,n2<n1<n3であるため,ε2<0に対してε3>0となり,チャンネル3はチャンネル2とは逆向きにレーザビーム4を屈折させること,つまり,チャンネル2によって横入射軸から離れる方向に屈折したレーザビーム4をチャンネル3によって横入射軸に戻す方向に屈折させることが可能となる。
|ε2+ε3|<|ε2| (9)
の関係を満たすことが有効である。式(9)に式(7)及び式(8)を代入すると,
|sin-1[sin{2*D−sin-1(sinD*n1/n2)}*n2/n1]−D
+sin-1[sin{2*D−sin-1(sinD*n1/n3)}*n3/n1]−D|
<|sin-1[sin{2*D−sin-1(sinD*n1/n2)}*n2/n1]−D| (10)
となる。より理想的には,
|ε2+ε3|≒0 (11)
が有効である。同様に,式(10)に式(7)及び式(8)を代入すると,
|sin-1[sin{2*D−sin-1(sinD*n1/n2)}*n2/n1]−D
+sin-1[sin{2*D−sin-1(sinD*n1/n3)}*n3/n1]−D|≒0 (12)
となる。これらの関係が満たされるとき,レーザビーム4を横入射軸に沿って進行させることが可能となり,複数のチャンネル2を横入射方式により効率的に同時照射することが可能となる。
図5は,本発明によるマルチチャンネル蛍光検出装置の一例を示す概略説明図である。本例は生体試料に含まれるDNAの電気泳動分析を行うシステムを示し,(a)はマイクロチップ1の鳥瞰図,(b)はシステムを構成するマイクロチップ1に対するレーザビーム4の横入射軸を含む断面,蛍光検出光学系の断面,及びデータ解析装置を示し,(c)は2次元センサ12で得られる2次元蛍光像を示している。
本実施例では,実施例1との差分を中心に説明し,特に説明がない場合は実施例1と同様の説明が成り立つと考えて良い。実施例1との基本的な差分は,各チャンネルの断面形状を円形ではなく,四角形としたことである。
図17は,本発明によるマルチチャンネル蛍光検出装置の一例を示す概略説明図である。本例は複数のレーザビームを用いて生体試料に含まれるDNAの電気泳動分析を行うシステムを示し,(a)はマイクロチップ1の鳥瞰図,(b)はシステムを構成するマイクロチップ1のレーザビーム4又はレーザビーム108の横入射軸を含む断面,蛍光検出光学系の断面,及びデータ解析装置を示し,(c)は2次元センサ12で得られる2次元蛍光像を示している。図17の図5と異なる点を中心に以下,説明する。
m1 マイクロチップ1の部材
n1 マイクロチップ1の部材の屈折率
2 チャンネル
m2 チャンネル2の内部の部材
n2 チャンネル2の内部の部材の屈折率
r2 チャンネル2の径
3 チャンネル
m3 チャンネル3の内部の部材
n3 チャンネル3の内部の部材の屈折率
r3 チャンネル3の径
4 レーザビーム
5 境界面
6 チャンネル2の入口ポート
7 チャンネル2の出口ポート
8 チャンネル3の入口ポート
9 集光レンズ
10 フィルタ及び回折格子
11 結像レンズ
12 2次元センサ
13 データ解析装置
103 チャンネル3の出口ポート
104 2次元蛍光像
105 チャンネル2からのレーザ散乱光及び蛍光の波長分散像
106 チャンネル3からのレーザ散乱光の波長分散像
107 ゴム栓
108 レーザビーム
111 レーザ光源
112 レーザ光源
113 チャンネル2及びチャンネル3の共通出口ポート
114 ハーフミラー
115 ミラー
Claims (15)
- 屈折率n1の透明固体部材の内部に複数のチャンネルが設けられ,
前記複数のチャンネルは少なくとも一部の領域において各チャンネルの長軸が同一平面に互いに平行に配列され,
前記複数のチャンネルには,内部に屈折率n2の第1の部材が満たされた第1のチャンネルと,屈折率n3の第2の部材が満たされた第2のチャンネルとが混在し,
n2<n1<n3の関係を満たすことを特徴とするマイクロチップ。 - 請求項1記載のマイクロチップにおいて,
前記第1のチャンネルと前記第2のチャンネルとが前記複数のチャンネルの配列方向に交互に配置されていることを特徴とするマイクロチップ。 - 請求項1記載のマイクロチップにおいて,
前記第2の部材は液体であり,前記第2のチャンネルは前記第2の部材が抜け出さないように封止されていることを特徴とするマイクロチップ。 - 請求項1記載のマイクロチップにおいて,
前記複数のチャンネルは,前記少なくとも一部の領域において長軸に垂直な断面形状が円形であることを特徴とするマイクロチップ。 - 請求項1記載のマイクロチップにおいて,
前記複数のチャンネルは,前記少なくとも一部の領域において長軸に垂直な断面形状が台形であることを特徴とするマイクロチップ。 - 請求項5記載のマイクロチップにおいて,
DL及びDRを0度<DL<90度,0度<DR<90度として,前記台形の2つの底角が90+DL度及び90+DR度であり,D=(DL+DR)/2とするとき,
|sin-1[sin{2*D−sin-1(sin(D)*n1/n2)}*n2/n1]−D+sin-1[sin{2*D−sin-1(sin(D)*n1/n3)}*n3/n1]−D|<|sin-1[sin{2*D−sin-1(sin(D)*n1/n2)}*n2/n1]−D|
の関係を満たすことを特徴とするマイクロチップ。 - 請求項1記載のマイクロチップにおいて,
前記複数のチャンネルは,前記少なくとも一部の領域において長軸に垂直な断面形状がそれぞれ同一であることを特徴とするマイクロチップ。 - 請求項1記載のマイクロチップにおいて,
前記少なくとも一部の領域において,前記第1のチャンネルの長軸に垂直な断面の前記複数のチャンネルの配列方向に垂直方向の幅をh2,前記第2のチャンネルの長軸に垂直な断面の前記複数のチャンネルの配列方向に垂直方向の幅をh3とするとき,h2<h3の関係を満たすことを特徴とするマイクロチップ。 - 屈折率n1の透明固体部材の内部に複数のチャンネルが少なくとも一部の領域において各チャンネルの長軸が同一平面に互いに平行に配列されたマイクロチップと,
レーザ光源と,
前記レーザ光源から発生されたレーザ光を,前記マイクロチップの側面から前記同一平面に沿って,前記互いに平行に配列された前記複数のチャンネルの長軸に垂直に入射させる照射光学系と,
前記レーザビームの照射によって前記チャンネル内の蛍光体から発生された蛍光をそれぞれ分離して検出する蛍光検出光学系とを含み,
前記マイクロチップの前記複数のチャンネルは,内部に屈折率n2の部材が満たされ検出すべき蛍光体が含まれる第1のチャンネルと,屈折率n3の第2の部材が満たされた第2のチャンネルとが混在し,n2<n1<n3の関係を満たす
ことを特徴とするマルチチャンネル蛍光検出装置。 - 請求項9記載のマルチチャンネル蛍光検出装置において,
前記レーザビームが複数本設けられ,前記複数本のレーザビームは前記複数のチャンネルの長軸方向の異なる位置に入射されることを特徴とするマルチチャンネル蛍光検出装置。 - 請求項9記載のマルチチャンネル蛍光検出装置において,
前記検出すべき蛍光体は生体由来の試料に標識された蛍光体であり,レーザビームの照射によって複数の第1のチャンネルから発光する蛍光を,前記同一平面に対して垂直方向から同時に検出することを特徴とするマルチチャンネル蛍光検出装置。 - 請求項9記載のマルチチャンネル蛍光検出装置において,
前記複数のチャンネルは,前記少なくとも一部の領域において長軸に垂直な断面形状が台形であることを特徴とするマルチチャンネル蛍光検出装置。 - 透明固体部材の内部に複数のチャンネルが少なくとも一部の領域において各チャンネルの長軸が同一平面に互いに平行に配列されたマイクロチップの製造方法であって,
射出成形により,表面に断面形状が台形である複数の溝が前記少なくとも一部の領域において互いに平行になるように形成された屈折率n1の第1の板状の透明固体部材を作製する工程と,
前記第1の板状の透明固体部材の上に屈折率n1の第2の板状の透明固体部材を張り合わせて前記複数の溝によって前記複数のチャンネルを構成する工程と,
前記複数のチャンネルのうち所定の複数のチャンネルに屈折率n3の部材を充填する工程と,を有し,
前記屈折率n1とn3は,n1<n3の関係を満たすことを特徴とするマイクロチップの製造方法。 - 請求項13記載のマイクロチップの製造方法において,
前記屈折率n3の部材は液体であり,前記屈折率n3の部材を充填した後,当該部材を充填したチャンネルを封止する工程を有することを特徴とするマイクロチップの製造方法。 - 請求項14記載のマイクロチップの製造方法において,
前記屈折率n3の部材を充填したチャンネル以外のチャンネルに屈折率n2の電気泳動用の媒体を充填する工程を有し,
前記屈折率n2は,n2<n1<n3の関係を満たすことを特徴とするマイクロチップの製造方法。
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