JPWO2017145230A1 - 発光検出装置 - Google Patents
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Abstract
Description
このとき,像倍率は,
[式1]
m=(g−f)/f
で表されるため,発光点像7の径d’は,
[式2]
d’≧m*d=(g−f)/f*d
である。ここで,式(2)は,発光点1からの発光が集光レンズ2によってセンサ位置において結像される場合に等号が成立し,それ以外の場合に不等号が成立する。図3の光学系の下側に光軸方向から見た発光点1,上側に光軸方向から見た発光点像7を示す。本発明は,g≧2*fの場合に,つまりm≧1の場合に良好に機能する。より望ましくは,m≧5,さらにはm≧10が良い条件となる。これは,図2から明らかなように,相対検出光量を向上するためにはfをmmレベルに縮小する必要がある一方で,gをそれほど縮小することは物理的に困難なためである。
[式3]
f≦2.8*p
が相対検出光量が50%以上の条件である。同様に,相対検出光量が100%以上,200%以上,400%以上,及び800%以上にするには,それぞれ,F≦2.0,1.4,1.0,及び0.7,すなわち,次の式(4),(5),(6),及び(7)が条件である。
[式4]
f≦2.0*p
[式5]
f≦1.4*p
[式6]
f≦1.0*p
[式7]
f≦0.7*p
[式8]
f≦(1/(2.8*p)+1/g)-1
[式9]
f≦(1/(2.0*p)+1/g)-1
[式10]
f≦(1/(1.4*p)+1/g)-1
[式11]
f≦(1/(1.0*p)+1/g)-1
[式12]
f≦(1/(0.7*p)+1/g)-1
[式13]
X=1/π*(cos-1(V2/2−1)−sin(cos-1(V2/2−1)))
として,
[式14]
V≦2*p/d’
が条件となる。式(2)を用いて式(14)を変形すると,
[式15]
f≧1/((2*p)/(V*d)+1)*g
と表すことができる。
[式16]
f≧1/(2*p/d+1)*g
で表すことができる。
[式17]
f≧1/((2*p)/(1.27*d)+1)*g
が条件である。
[式18]
f≧1/(p/d+1)*g
が条件である。
(1)発光点アレイのM個の発光点について,集光レンズアレイによって各発光点からの発光を集光したM個の光束を,それぞれ異なる波長成分を有するN個の光束に分割し,それぞれを同一方向に進行させる。
(2)発光点アレイのM個の発光点について,集光レンズアレイによって各発光点からの発光を集光したM個の光束を,それぞれ異なる波長成分を有するN個の光束に分割し,それぞれを各集光レンズの光軸方向に進行させる。
(3)発光点アレイのM個の発光点について,集光レンズアレイによって各発光点からの発光を集光したM個の光束を,それぞれ異なる波長成分に分割する方向を,発光点アレイ及び集光レンズアレイの配列方向と垂直方向とする。
(4)発光点アレイのM個の発光点について,集光レンズアレイによって各発光点からの発光を集光したM個の光束を,それぞれ異なる波長成分に分割する方向を,各集光レンズの光軸と垂直方向とする。
(5)発光点アレイのM個の発光点について,集光レンズアレイによって各発光点からの発光を集光したM個の光束を,それぞれ異なる波長成分に分割するN個のダイクロを,発光点アレイ及び集光レンズアレイの配列方向と垂直方向に配列する。
(6)発光点アレイのM個の発光点について,集光レンズアレイによって各発光点からの発光を集光したM個の光束を,それぞれ異なる波長成分に分割するN個のダイクロを,各集光レンズの光軸と垂直方向に配列する。
(7)発光点アレイのM個の発光点について,集光レンズアレイによって各発光点からの発光を集光したM個の光束を,それぞれ異なる波長成分にN個に分割したM×N個の光束をセンサに,再集光せずに,直接入射する。
(8)発光点アレイのM個の発光点について,各発光点からの発光を集光する集光レンズアレイの各集光レンズの光軸とセンサ面を垂直とする。
(9)N個の異なる種類のダイクロで構成し,各ダイクロをそれぞれ単一の部材で構成し,発光点アレイのM個の発光点からの発光を個別に集光したM個の光束を各ダイクロに並列に入射する。
(10)発光点アレイのM個の発光点からの発光を個別に集光したM個の光束をそれぞれ異なる波長成分にN個に分割したM×N個の光束を単一のセンサに並列に入射する。
[実施例1]
図11は,キャピラリアレイDNAシーケンサの装置構成例を示す模式図である。図11を用いて分析手順を説明する。まず,複数のキャピラリ49(図11では4本のキャピラリ49を示す)の試料注入端50を陰極側緩衝液60に浸し,試料溶出端51をポリマブロック55を介して陽極側緩衝液61に浸した。ポンプブロック55のバルブ57を閉じ,ポンプブロック55に接続されたシリンジ56により内部のポリマ溶液に加圧し,ポリマ溶液を各キャピラリ49の内部に,試料溶出端51から試料注入端50に向かって充填した。次に,バルブ57を開け,各キャピラリに試料注入端50から異なる試料を注入した後,陰極58と陽極59の間に電源62により高電圧を印加することにより,キャピラリ電気泳動を開始した。4色の蛍光体で標識されたDNAは試料注入端50から試料溶出端51に向かって電気泳動した。
実施例1の図12の多色検出装置では,ダイクロアレイ,集光レンズアレイ,発光点アレイの配列方向は,いずれも2次元センサ30のセンサ面と平行に配列するため,これらの間で立体障害は発生しない。しかしながら,キャピラリアレイの各キャピラリ49の配列平面は2次元センサ30のセンサ面と垂直となるため,これらの立体障害が発生する場合があり,装置構成上の課題となる。そこで,本実施例では本課題を解決する多色検出装置を提案する。
実施例1及び実施例2の条件における,各キャピラリ49の内径,すなわち発光点1の径d=0.05mmを,d=0.075mmに拡大した条件について検討する。図13の多色検出装置を用い,発光点1からの発光を,光路長g=28mmにおいて,像倍率がm=17.7,発光点像7の径がd’=1.33mmで結像させた。上記d’は,集光レンズの有効径D=1mmよりも大であるため,集光レンズからの光学的距離sが0mm≦s≦28mmに対して,d’(s)≦1.33mmであり,d’(s)≦W=1.7mmが成立した。したがって,図13と同様に,ダイクロ17〜20で4個に分割した光束は,いずれもロスなく,2次元センサ30に到達させることができた。
以上の実施例で明らかにしたように,ダイクロアレイを用いた多色検出装置では,開口幅Wの拡大と,光路長gの縮小というトレードオフの関係にあるふたつを両立させることが重要であり,この両立は装置の小型化に伴って困難となった。実施例3で示したダイクロアレイの配列間隔x,及び段ずれy及びzの調整は,この課題を解決する効果的な手段であった。本実施例では,上記の配列間隔と段ずれ配置を一般化し,開口幅Wの拡大と光路長gの縮小を両立する一般解を導出する。本発明におけるダイクロの配置の端的な特徴は,ダイクロの厚さβを考慮している点である。従来は,ダイクロのサイズ(α及びγ)が十分大きいために,βを考慮しなくても支障がなかったが,これらを小型化する場合,βを考慮した配置が重要なのである。特に,各ダイクロを,空中ではなく,ガラス材の内部に設置する場合は,β=0と考えて支障がなかった。
[式19]
θ1=sin-1(1/n0*sinθ0)
である。また,ダイクロM(2)〜M(N)の入射面(右下正面)における光束の入射角は90°−θ0であり,ダイクロM(2)〜M(N)の入射面における光束の屈折角θ2は,
[式20]
θ2=sin-1(1/n0*sin(90°−θ0))
である。光束70の内,右端を光束右端66として点線で示し,左端を光束左端67として一点鎖線で示し,それぞれ光束F(1),F(2),F(3),・・・,及び光束F(N)の右端,左端まで追跡して描いた。
[式21]
x=x0=cosθ0*α+sinθ0*β
となる。また,開口幅Wは,ベストモードにおいて,
[式22]
W=W0=aW*α+bW*β
となる。ここで,
[式23]
aW≡cosθ0
[式24]
bW≡−cosθ0*tanθ1
とした。
[式25]
L=L0=aL*α+bL*β
である。ここで,
[式26]
aL≡(N−1)*cosθ0+sinθ0
[式27]
bL≡(N−2)/cosθ0*(2*sin(90°−θ0−θ2)+1−sin(θ0+θ2))+(N−2)*sinθ0+2*cosθ0
とした。
[式28]
y=y0=cosθ0*β
[式29]
z=z0=sin(90°−θ0−θ2)/cosθ2*β
となる。
[式30]
α≧−bW/aW*β+1/aW*Wmin
となり(等号のときベストモード),式(21)より,
[式31]
x≧(sinθ0−bW/aW*cosθ0)*β+1/aW*cosθ0*Wmin
となる(等号のときベストモード)。
[式32]
α≦−bL/aL*β+1/aL*Lmax
となり(等号のときベストモード),式(21)より,
[式33]
x≦(sinθ0−bL/aL*cosθ0)*β+1/aL*cosθ0*Lmax
となる(等号のときベストモード)。
[式34]
cosθ0*α≦x≦cosθ0*α+2*sinθ0*β
とすることによって,開口幅Wを拡大し,光路長Lを縮小することができる。
[式35]
0≦y≦2*cosθ0*β
とすることによって,開口幅Wを拡大し,光路長Lを縮小することができる。
[式36]
0≦z≦2*sin(90°−θ0−θ2)/cosθ2*β
とすることによって,開口幅Wを拡大し,光路長Lを縮小することができる。
実施例3,実施例4では,複数のダイクロの段差配置によって,ダイクロアレイの開口幅Wの拡大と,光路長Lの縮小を実現した。本実施例では,段差配置をしない場合,すなわち,複数のダイクロを同一平面配置する場合,より具体的には,各ダイクロの分割光束進行方向側の端を同一平面上に並べる場合について,開口幅Wの拡大と,光路長Lの縮小を実現する手段を提案する。
[式37]
S↓=tan(2*θ0−90°)*tanθ0/(tanθ0−tan(2*θ0−90°))*(x−β/cos(90°−θ0)
で求められる。一方,各ダイクロの内部で左上方向に進行する光束の上方向の移動距離S↑は,
[式38]
S↑=1/cosθ2*β*sin(90°−θ0−θ2)
で求められる。ここで,βは各ダイクロの厚さ,xは各ダイクロの間隔を示す。図20のように,S↓とS↑を相殺させるためには,S↓=S↑とするのが最も良い。そこで,このベストモードにおけるθ0をθ0(BM)とする。
[式39]
45°≦θ0≦2*θ0(BM)−45°
である。また,上記の2°のずれを考慮すると,より正確な条件は,
[式40]
45°≦θ0≦2*θ0(BM)−43°
となる。
図22は,図6の構成において,発光点のサイズが比較的大きい場合の発光検出装置を示す模式図である。発光点71の径はd=0.5mm,間隔はp=1mmと,実施例1と比較して発光点のサイズが一桁大きい。発光点71はそれぞれ,0.5mm×0.5mm×0.5mmの立方体の反応セルで構成し,内部の化学反応によって化学発光を生じさせた。この化学発光の波長,強度の時間変化を発光点71毎に調べることによって,各反応セルに導入された試料を分析した。集光レンズ2の焦点距離はf=1mm,有効径はD=1mm,間隔はp=1mm,集光レンズ2と2次元カラーセンサ11の光学的距離はg=10mmとした。発光点71及び集光レンズ2の配列方向は,図22(a)の横方向だけでなく,図22(a)の紙面に垂直方向にも等間隔で配列しても良い。本実施例では,励起光源を必要としないため,図6のロングパスフィルタ10は省略した。
本発明の実装上の課題のひとつは,各発光点と各集光レンズの位置合わせを如何に精度良く,簡便に行うかである。本実施例は,複数のキャピラリについて,これを実現する手段を示すものである。
2 集光レンズ
3,3’ 平行光束
4,5 スポット
7 発光点像
8 集光レンズアレイ
11 2次元カラーセンサ
17〜20 ダイクロ
30 2次元センサ
31 透過型回折格子
33 再集光レンズ
37 2次元センサ
41 波長分散像
43 プリズム
45,48 発光点像
49 キャピラリ
53 レーザ光源
71 発光点
72 ピンホール
74 ピンホール像
75 発光点
76 発光点像
77〜79 光路長調整素子
80 発光分布
83 集光レンズアレイデバイス
84 V溝アレイデバイス
87 ピンホール
Claims (20)
- M≧2として,M個の発光点が配列した発光点アレイからの発光をそれぞれ個別に集光して光束とするM個の集光レンズが配列した集光レンズアレイと,
前記M個の光束が再集光されずに並列に入射される少なくとも1個のセンサと,を有し,
前記M個の発光点の有効径の平均をd,
前記M個の集光レンズの焦点距離の平均をf,
前記M個の集光レンズの間隔の平均をp,
前記M個の集光レンズと前記センサの最大光路長の平均をg,とするとき
d,f,p,gが前記M個の発光を低クロストーク又は高感度に検出できるように予め定められた所定の関係を満足する,発光検出装置。 - 前記M個の集光レンズにそれぞれ位置合わせされて配列したM個のピンホールを備えるピンホールアレイを有し,
前記M個の発光点は少なくとも1個の発光領域の一部の発光によって構成されている,請求項1に記載の発光検出装置。 - 前記M個の光束をそれぞれ偏向して偏向光束とする光学素子,又は,前記M個の光束をそれぞれ再集光して再集光光束とする光学素子を有し,
前記センサに,前記M個の偏向光束,又は,前記M個の再集光光束が並列に入射される,請求項1に記載の発光検出装置。 - f≧1/((2*p)/(1.27*d)+1)*g
を満足する,請求項1に記載の発光検出装置。 - f≧1/(p/d+1)*g
を満足する,請求項1に記載の発光検出装置。 - f≦2*p
を満足する,請求項1に記載の発光検出装置。 - f≦p
を満足する,請求項1に記載の発光検出装置。 - 前記集光レンズアレイと前記センサの光学的な中間に,N≧2として,番号1,2,・・・,Nの複数のダイクロイックミラーを,第1の方向に,番号順に配列したダイクロイックミラーアレイを有し,
前記N個のダイクロイックミラーの正面の法線ベクトルが,前記第1の方向の正の成分と,前記第1の方向と垂直な第2の方向の負の成分の和から構成され,
前記N個の法線ベクトルが互いに略平行であり,
前記M個の集光レンズの光軸が前記第2の方向と略平行であり,
前記M個の集光レンズの配列方向が,前記第1の方向と前記第2の方向の両方に垂直な第3の方向と略平行である,請求項1に記載の発光検出装置。 - 前記M個の光束が前記第2の方向に沿って前記ダイクロイックミラーアレイに並列に入射され,
前記ダイクロイックミラーアレイより,前記M個の光束がそれぞれ異なるN個の光束に前記第1の方向に分割された分割光束が,前記第2の方向に沿って出射され,
前記M×N個の分割光束が前記センサに並列に入射され,一括して検出される,請求項8に記載の発光検出装置。 - 前記M個の集光レンズの有効径の平均をD,
0≦θ0≦90°として,前記N個の法線ベクトルと前記第2の方向と反対方向のなす角度の平均をθ0,
前記N個のダイクロイックミラーの基材の屈折率の平均をn0,
前記N個のダイクロイックミラーの基材の幅の平均をα,
前記N個のダイクロイックミラーの基材の厚さの平均をβ,
前記N個のダイクロイックミラーの間隔の平均をx,
2≦n≦Nとして,前記番号nのダイクロイックミラーの前記第2の方向の端を,前記番号n−1のダイクロイックミラーの前記第2の方向の端に対して,前記第2の方向と反対方向にずらす距離の平均をyz,とするとき
d,f,D,p,g,θ0,N,n0,α,β,x,yzが前記M個の発光を前記ダイクロイックミラーを用いて検出できるように予め定められた所定の関係を満足する,請求項8又は9に記載の発光検出装置。 - θ1=sin-1(1/n0*sinθ0),
θ2=sin-1(1/n0*sin(90°−θ0)),
aW=cosθ0,
bW=−cosθ0*tanθ1,
aL=(N−1)*cosθ0+sinθ0,
bL=(N−2)/cosθ0*(2*sin(90°−θ0−θ2)+1−sin(θ0+θ2))+(N−2)*sinθ0+2*cosθ0,
d’=(g−f)/f*d
として,
(sinθ0−bW/aW*cosθ0)*β+cosθ0/aW*D≦x,及び,
(sinθ0−bW/aW*cosθ0)*β+cosθ0/aW*d’≦x≦(sinθ0−bL/aL*cosθ0)*β+cosθ0/aL*g
を満足する,請求項10に記載の発光検出装置。 - θ2=sin-1(1/n0*sin(90°−θ0))として,
0≦yz≦2*sin(90°−θ0−θ2)/cosθ2*β
を満足する,請求項10又は11に記載の発光検出装置。 - θ2=sin-1(1/n0*sin(90°−θ0))として,
n=2のとき,0≦yz≦2*cosθ0*β
3≦n≦Nのとき,0≦yz≦2*sin(90°−θ0−θ2)/cosθ2*β
を満足する,請求項10又は11に記載の発光検出装置。 - cosθ0*α≦x≦cosθ0*α+2*sinθ0*β
を満足する,請求項10〜13のいずれか1項に記載の発光検出装置。 - 前記M×N個の分割光束の少なくとも一部の光路上に光路長調整素子を備える,請求項9〜14のいずれか1項に記載の発光検出装置。
- 前記M個の集光レンズが,前記センサのセンサ面に平行な平面内で2次元状に配列している,請求項1〜7のいずれか1項に記載の発光検出装置。
- 前記センサが,異なる波長帯を識別する複数種類の画素が配列されたカラーセンサである,請求項1〜7,16のいずれか1項に記載の発光検出装置。
- 前記M個の発光点に対して,少なくとも前記集光レンズアレイの相対位置を移動させる機構を備える,請求項1〜17のいずれか1項に記載の発光検出装置。
- 複数のV溝が配列したV溝アレイと,複数の集光レンズが配列した集光レンズアレイが一体化されたデバイスであり,
前記V溝アレイと前記集光レンズアレイが等間隔で配列されているデバイス。 - 前記V溝アレイと前記集光レンズアレイの中間に,複数のピンホールが配列したピンホールアレイを有し,
前記V溝アレイ,前記集光レンズアレイ,及び前記ピンホールアレイが等間隔で配列されている,請求項19に記載のデバイス。
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C21 | Notice of transfer of a case for reconsideration by examiners before appeal proceedings |
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TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
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