JPWO2023007567A5

JPWO2023007567A5 -

Info

Publication number: JPWO2023007567A5
Application number: JP2023537773A
Authority: JP
Filing date: 2021-07-27
Publication date: 2024-03-18

Description

イメージセンサ20による撮像を露光時間100 ms、サンプリング間隔150 msで繰り返した。ビンW(f)で積算された信号強度X(f)（f＝1，2，…，20）を各時刻で求めることによって、式(2)に示される20行1列の行列Xを各時刻について求めた。また、式(3)に示される20行4列の行列Yを予め求めておいた。そして、式(6)によって、式(4)に示される4行1列の行列Zを各時刻について求めた。すなわち、G＝4種類の蛍光体の濃度Z(g)（g＝1、2、3、4）の時間変化を求めた。得られた時系列データを解析することによって、各キャピラリ1に注入されたサンプルのDNAシーケンスを行った。

以上では、露光時間を変化させる手段を用いてノイズ組成を示すN_r、bおよびcを導出したが、露光時間を変化させることができない場合でもノイズ組成を求めることができる。各ビンW(f)のショットノイズは、ビンW(f)に入射する光量のルートに比例することが分かっている。したがって、入射光量を変化させることによってショットノイズを制御することが可能である。そこで、ショットノイズ比の2乗c²に対して、ビンW(f)の信号強度X(f)の総合ノイズの2乗N²をプロットすると、式(11)により、傾きがN_r ²、縦軸切片が(B_s＋b²×B_m)×N _r ²の直線が得られ、N_rおよび暗電流ノイズ比bを導くことができる。また、実際の計測条件における総合ノイズNと上記直線から、実際の計測条件におけるショットノイズ比cを導くことができる。

＜多色検出光学系の構成の変更＞
＜基本条件＞に記される多色検出光学系の構成を変更することによって、高感度と高ダイナミックレンジを両立させることを検討した。イメージセンサは、画素サイズが3.63μm角のCMOSとした。また、飽和光量比がk＝1であるため、α＝1とした。まず、多色検出光学系で用いられている透過型回折格子の格子周波数をN＝600 本/mmからN＝200 本/mmに変更した。このとき、式(72)より、イメージセンサ上の1 nmあたりの分散距離は10 μmとなるため、ビンW(1)～W(20)が計測対象とする9 nm幅の波長帯の光の像のサイズは、0.10 mm×0.072 mmとなった。すなわち、各ビンW(f)を波長分散方向に25画素、発光点配列方向に20画素、B_m＝25×20＝500とした。また、ハードビニングの画素数をB_h＝1とし、ソフトビニングの画素数をB_s＝500とした。計測条件を＜基本条件＞から変更しない場合、1画素の読み出しノイズがN_r＝1.06カウント、暗電流ノイズ比がb＝0.21、ショットノイズ比がc＝10のままである。つまり、第1の高感度条件はB_s≦775であり、第2の高感度条件はB_s≦121であり、第1の高ダイナミックレンジ条件はB_s≧3であり、第2の高ダイナミックレンジ条件はB_s≧11である。したがって、B_h＝1、B_s＝500のビニング条件は、第1の高感度条件、第1の高ダイナミックレンジ条件、および第2の高ダイナミックレンジ条件が満足される。以上より、同じ計測条件下で、多色検出光学系の構成を変更することによって、高感度条件および高ダイナミックレンジ条件を両立できるようになった。

次に、上記の多色検出光学系の構成の変更に、さらに変更を加えることによって、より好適に高感度と高ダイナミックレンジを両立させることを検討した。具体的には、多色検出光学系で用いられている透過型回折格子の格子周波数をN＝600 本/mmからN＝200 本/mmに変更することに加えて、第2カメラレンズの焦点距離をf₂＝50 mmからf₂＝25 mmに変更した。このとき、発光点からの発光の波長分散像は1/2倍の縮小結像となる。したがって、式(72)より、イメージセンサ上の1 nmあたりの分散距離は5 μmとなり、波長分散しない場合の50 μm角の発光点の結像サイズは25 μm角となる。これより、ビンW(1)～W(20)が計測対象とする9 nm幅の波長帯の光の像のサイズは、0.045 mm×0.025 mmとなった。すなわち、各ビンW(f)を波長分散方向に12画素、発光点配列方向に7画素、B_m＝12×7＝84とした。また、ハードビニングの画素数をB_h＝1とし、ソフトビニングの画素数をB_s＝84とした。このとき、計測条件を＜基本条件＞から変更しない場合、1画素の読み出しノイズがN_r＝1.06カウント、暗電流ノイズ比がb＝0.21、ショットノイズ比がc＝10のままであるとすると、第1の高感度条件、第2の高感度条件、第1の高ダイナミックレンジ条件、および第2の高ダイナミックレンジ条件のすべてが満足された。以上より、同じ計測条件下で、多色検出光学系の構成を変更することによって、高感度条件および高ダイナミックレンジ条件を両立できるようになり、高感度条件および高ダイナミックレンジ条件を両立できる範囲を拡大することができるようになった。

また、実施例1では、計測条件の変更によって、ノイズの組成を変化させるだけでなく、総合ノイズの大きさも変化させた。これに対して、本実施例では、総合ノイズの大きさの変化の影響を回避するため、計測条件の変更によって、総合ノイズの大きさを一定に保ちながら、ノイズの組成を変更するようにした。本実施例の検討では、式(11)、式(13)、式(14)および式(15)を用いた。ただし、イメージセンサの飽和光量比がk＝1であるため、α＝1とした。また、式(11)でB_h＝B_s＝1とした場合の総合ノイズが、N＝1カウントで一定であるとした。さらに、イメージセンサの1画素あたりの飽和光量をM＝10000カウントとした。以降では、ノイズおよび光量の単位であるカウントを省略する。

Claims

G（≧2）個の蛍光体で標識された成分を含むE（≧2）個のサンプルが注入されて同時に電気泳動されるE本のキャピラリと、
前記E本のキャピラリの同一平面に配置された計測部に対しレーザビームを照射するレーザ光源と、
前記計測部を通過する前記G個の蛍光体が前記レーザビームにより励起されることにより発光される蛍光を受光する光学系と、を備え、
前記光学系は、
前記E本のキャピラリから発光される前記蛍光をそれぞれF（≧2，F≧G）個の所定の波長帯に分光する分光素子と、
複数の画素が2次元状に配列され、E×F個の分光された蛍光を、イメージセンサ上のE×F個の異なるビン領域で受光する前記イメージセンサと、を有し、
前記イメージセンサは、
前記E×F個のビン領域において前記E×F個の分光された蛍光のE×F個の信号強度を計測し、
所定の露光時間および所定の時間間隔の連続的な繰り返し計測によって、前記E×F個の信号強度の時系列データを取得するように構成され、
前記E×F個のビン領域のうちのいずれかひとつのビン領域において、
前記ビン領域の画素数をB_m（≧1）個とし、
前記ビン領域がB_s（≧1）個のハードビニング領域に分割されており、
前記ハードビニング領域の平均の画素数をB_h（≧1）個とし、
前記ビン領域のハードビニングの画素数をB _h 個とし、
前記ビン領域のソフトビニングの画素数をB_s個とし、
B_m＝B_h×B_sとし、
前記イメージセンサの1画素あたりの飽和光量に対する、ハードビニングを実施して得られる飽和光量の最大値の比率を飽和光量比k（≧1）とし、
飽和光量係数αが、B_h＝1のときα＝1、1＜B_h＜kのときα＝B_h、k≦B_hのときα＝kとし、
B_m＝B_h＝B_s＝1とした場合について、
前記時系列データの総合ノイズが、前記イメージセンサの読み出しノイズ、前記イメージセンサの暗電流ノイズ、および背景光のショットノイズの3成分に分類され、
前記総合ノイズをNとし、前記読み出しノイズをN_rとし、前記暗電流ノイズをN_dとし、前記ショットノイズをN_sとし、
暗電流ノイズ比をb＝N_d/N_r、ショットノイズ比をc＝N_s/N_rとするとき、
B_m、B_h、B_s、k、α、b、cが所定の関係を満足することを特徴とするマルチキャピラリ電気泳動装置。
請求項1において、

が満足されることを特徴とするマルチキャピラリ電気泳動装置。
請求項2において、
B_h＝1であり、

が満足されることを特徴とするマルチキャピラリ電気泳動装置。
請求項1において、

が満足されることを特徴とするマルチキャピラリ電気泳動装置。
請求項4において、
B_h＝1であり、

が満足されることを特徴とするマルチキャピラリ電気泳動装置。
請求項1において、
c≧2.5、
B_h＝1、
4≦B_s≦59
が満足されることを特徴とするマルチキャピラリ電気泳動装置。
請求項1において、
c≧10、
B_h＝1、
3≦B_s≦809
が満足されることを特徴とするマルチキャピラリ電気泳動装置。
請求項7において、
c≧10、
B_h＝1、
11≦B_s≦127
が満足されることを特徴とするマルチキャピラリ電気泳動装置。
G（≧2）個の蛍光体で標識された成分を含むE（≧2）個のサンプルが注入されて同時に電気泳動されるE本のキャピラリと、
前記E本のキャピラリの同一平面に配置された計測部に対しレーザビームを照射するレーザ光源と、
前記計測部を通過する前記G個の蛍光体が前記レーザビームにより励起されることにより発光される蛍光を受光する光学系と、を備え、
前記光学系は、
前記E本のキャピラリから発光される前記蛍光をそれぞれF（≧2，F≧G）個の所定の波長帯に分光する分光素子と、
複数の画素が2次元状に配列され、E×F個の分光された蛍光を、イメージセンサ上のE×F個の異なるビン領域で受光する前記イメージセンサと、を有し、
前記イメージセンサは、
前記E×F個のビン領域において前記E×F個の分光された蛍光のE×F個の信号強度を計測し、
前記E本のキャピラリのいずれか1本のキャピラリの前記計測部から、前記G個の蛍光体のいずれか1個の蛍光体が蛍光を発光するとき、
前記1本のキャピラリに対応する前記F個のビン領域における前記F個の信号強度を、最大値を1とする規格化を行うことによって、F個の規格化信号強度を導出し、
前記F個の規格化信号強度のうち、0.5以上の前記規格化信号強度を有する前記ビン領域を統合した統合ビン領域を設定し、
所定の露光時間および所定の時間間隔の連続的な繰り返し計測によって、前記統合ビン領域における統合信号強度の時系列データを取得することを想定し、
前記統合ビン領域の画素数をB_m（≧1）個とし、
前記統合ビン領域がB_s（≧1）個のハードビニング領域に分割されており、
前記ハードビニング領域の平均の画素数をB_h（≧1）個とし、
前記統合ビン領域のソフトビニングの画素数をB_s個とし、
前記統合ビン領域のハードビニングの画素数をB _h 個とし、
B_m＝B_h×B_sとし、
前記イメージセンサの1画素あたりの飽和光量に対する、ハードビニングを実施して得られる飽和光量の最大値の比率を飽和光量比k（≧1）とし、
飽和光量係数αを、B_h＝1のときα＝1とし、1＜B_h＜kのときα＝B_hとし、k≦B_hのときα＝kとし、
B_m＝B_h＝B_s＝1とした場合について、
前記時系列データの総合ノイズが、前記イメージセンサの読み出しノイズ、前記イメージセンサの暗電流ノイズ、および背景光のショットノイズの3成分に分類され、
前記総合ノイズをNとし、前記読み出しノイズをN_rとし、前記暗電流ノイズをN_dとし、前記ショットノイズをN_sとし、
暗電流ノイズ比をb＝N_d/N_rとし、ショットノイズ比をc＝N_s/N_rとするとき、
B_m、B_h、B_s、k、α、b、c、が所定の関係を満足することを特徴とするマルチキャピラリ電気泳動装置。
請求項9において、

が満足されることを特徴とするマルチキャピラリ電気泳動装置。
請求項10において、
B_h＝1であり、

が満足されることを特徴とするマルチキャピラリ電気泳動装置。
請求項9において、

が満足されることを特徴とするマルチキャピラリ電気泳動装置。
請求項12において、
B_h＝1であり、

が満足されることを特徴とするマルチキャピラリ電気泳動装置。
G（≧2）個の蛍光体で標識された成分を含むE（≧2）個のサンプルが注入されて同時に電気泳動されるE本のキャピラリと、
前記E本のキャピラリの同一平面に配置された計測部に対しレーザビームを照射するレーザ光源と、
前記計測部を通過する前記G個の蛍光体が前記レーザビームにより励起されることにより発光される蛍光を受光する光学系と、を備え、
前記光学系は、
前記E本のキャピラリから発光される前記蛍光をそれぞれF（≧2，F≧G）個の所定の波長帯に分光する分光素子と、
複数の画素が2次元状に配列され、E×F個の分光された蛍光を、イメージセンサ上のE×F個の異なるビン領域で受光する前記イメージセンサと、を有し、
前記イメージセンサは、
前記E×F個のビン領域において前記E×F個の分光された蛍光のE×F個の信号強度を計測し、
所定の露光時間および所定の時間間隔の連続的な繰り返し計測によって、前記E×F個の信号強度の第1の時系列データを取得し、
前記第1の時系列データを用いた計算によって、前記E本のキャピラリの前記計測部における、前記G個の蛍光体のE×G個の濃度の第2の時系列データを導出するよう構成され、
前記E本のキャピラリのうちのいずれか1本のキャピラリの前記計測部から、前記G個の蛍光体のうちのいずれか1個の蛍光体が蛍光を発光するとき、
前記1本のキャピラリの前記計測部における、前記1個の蛍光体の濃度に対する、前記1本のキャピラリを除いた前記E本のキャピラリの前記計測部における、前記1個の蛍光体の濃度の最大値の比率をXRとし、
前記E×F個のビン領域のうちのいずれかひとつのビン領域において、
前記ビン領域の画素数をB_m（≧1）個とし、
前記ビン領域がB_s（≧1）個のハードビニング領域に分割されており、
前記ハードビニング領域の平均の画素数をB_h（≧1）個とし、
前記ビン領域のハードビニングの画素数をB _h 個とし、
前記ビン領域のソフトビニングの画素数をB_s個とし、
B_m＝B_h×B_sとし、
前記イメージセンサの1画素あたりの飽和光量に対する、ハードビニングを実施して得られる飽和光量の最大値の比率を飽和光量比k（≧1）とし、
飽和光量係数αが、B_h＝1のときα＝1、1＜B_h＜kのときα＝B_h、k≦B_hのときα＝kとし、
B_m＝B_h＝B_s＝1とした場合について、
前記第1の時系列データの総合ノイズが、前記イメージセンサの読み出しノイズ、前記イメージセンサの暗電流ノイズ、および背景光のショットノイズの3成分に分類され、
前記総合ノイズをNとし、前記読み出しノイズをN_rとし、前記暗電流ノイズをN_dとし、前記ショットノイズをN_sとし、
暗電流ノイズ比をb＝N_d/N_rとし、ショットノイズ比をc＝N_s/N_rとするとき、
XR、B_m、B_h、B_s、k、α、b、c、が所定の関係を満足することを特徴とするマルチキャピラリ電気泳動装置。
請求項14にいて、
XR≦10^-3であり、

が満足されることを特徴とするマルチキャピラリ電気泳動装置。
請求項15において、
B_h＝1であり、

が満足されることを特徴とするマルチキャピラリ電気泳動装置。
請求項14において、
XR≦10^-3であり、

が満足されることを特徴とするマルチキャピラリ電気泳動装置。
請求項17において、
B_h＝1であり、

が満足されることを特徴とするマルチキャピラリ電気泳動装置。
G（≧2）個の蛍光体で標識された成分を含むE（≧2）個のサンプルが注入されて同時に電気泳動されるE本のキャピラリと、
前記E本のキャピラリの同一平面に配置された計測部に対しレーザビームを照射するレーザ光源と、
前記計測部を通過する前記G個の蛍光体が前記レーザビームにより励起されることにより発光される蛍光を受光する光学系と、
装置の制御を行う計算機と、を備え、
前記光学系は、
前記E本のキャピラリから発光される前記蛍光をそれぞれF（≧2，F≧G）個の所定の波長帯に分光する分光素子と、
複数の画素が2次元状に配列され、E×F個の分光された蛍光を、イメージセンサ上のE×F個の異なるビン領域で受光する前記イメージセンサと、を有し、
前記イメージセンサは、
前記E×F個のビン領域において前記E×F個の分光された蛍光のE×F個の信号強度を計測し、
所定の露光時間および所定の時間間隔の連続的な繰り返し計測によって、前記E×F個の信号強度の時系列データを取得するように構成され、
前記E×F個のビン領域のうちのいずれかひとつのビン領域において、
前記ビン領域の画素数をB_m（≧1）個とし、
前記ビン領域がB_s（≧1）個のハードビニング領域に分割されており、
前記ハードビニング領域の平均の画素数をB_h（≧1）個とし、
前記ビン領域のハードビニングの画素数をB _h 個とし、
前記ビン領域のソフトビニングの画素数をB_s個とし、
B_m＝B_h×B_sとし、
前記イメージセンサの1画素あたりの飽和光量に対する、ハードビニングを実施して得られる飽和光量の最大値の比率を飽和光量比k（≧1）とし、
飽和光量係数αが、B_h＝1のときα＝1、1＜B_h＜kのときα＝B_h、k≦B_hのときα＝kとし、
B_m＝B_h＝B_s＝1とした場合について、
前記時系列データの総合ノイズが、前記イメージセンサの読み出しノイズ、前記イメージセンサの暗電流ノイズ、および背景光のショットノイズの3成分に分類され、
前記総合ノイズをNとし、前記読み出しノイズをN_rとし、前記暗電流ノイズをN_dとし、前記ショットノイズをN_sとし、
暗電流ノイズ比をb＝N_d/N_r、ショットノイズ比をc＝N_s/N_rとするとき、
B_m、B_h、B_s、k、α、b、cが満足する複数種類の所定の関係を有し、
前記計算機が、前記複数種類の所定の関係の中から、所望の所定の関係を選択可能とする環境を提供することを特徴とするマルチキャピラリ電気泳動装置。
請求項19において、
前記計算機が、ユーザが前記所望の所定の関係を選択可能とするためのユーザインターフェースを提供することを特徴とするマルチキャピラリ電気泳動装置。