(57)【要約】      （修正有）【課題】マイクロタイタープレート形式の蛍光検出に関し、より小さい蛍光信号であっても検出することを可能とするため、信号対雑音比または解像度を改善する結像光学素子を提供する。【解決手段】マイクロタイタープレートのウェルからなる複数の個々の検出部位からの蛍光信号７を結像するための光学機器を備える。励起光９を用いた蛍光励起における光収率および蛍光信号７の検出における光収率を改善するために、視野レンズと検出部位との間のビーム経路内に配置され、視野レンズアレイ素子２０を有する視野レンズアレイ１９と、瞳レンズアレイ素子２２を有する瞳レンズアレイ２１とを備える。チャネル分離を改善するため、および干渉光を抑制するために、この対物レンズアレイ１８は、２つの絞り開口部（２４、２５）を有する絞りアレイ２３を検出部位ごとに備えている。【選択図】図３
2010032513.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の個々の検出部位（２）からなる配列からの蛍光信号（７）を結像するための光学機器（１）であって、
複数の個々の検出部位（２）からなる配列を有する平面支持体（４）を保持するための保持デバイス（３）と、
少なくとも１つの励起周波数を含む光を放射するための、少なくとも１つの光源（５）と、
複数の個々の検出部位（２）からなる配列から蛍光信号（７）を受光するように構成されているとともに、コンピュータによって読み取り可能な一次データを生成するように設計されている光学センサー（６）と、
複数の個々の検出部位（２）からなる配列に対して光源（５）からの励起光（９）を転送するとともに、複数の個々の検出部位（２）からなる配列から光学センサー（６）に対して蛍光信号（７）を転送するように構成されている視野レンズ（８）と、
光源（５）から視野レンズ（８）に対して励起光（９）を転送するように構成されている励起レンズ配列（１０）と、
視野レンズ（８）から光学センサー（６）に対して蛍光信号（７）を転送するように構成されている結像レンズ配列（１１）とを備えた光学機器（１）において、
この光学機器（１）が、瞳レンズアレイ素子（２２）を有する瞳レンズアレイ（２１）と、視野レンズアレイ素子（２０）を有する視野レンズアレイ（１９）とを備えた、対物レンズアレイ（１８）を備えており、
この対物レンズアレイ（１８）が、複数の個々の検出部位（２）からなる配列と視野レンズ（８）との間のビーム経路内に配置されており、
さらに、前記光学機器（１）が、励起光（９）の照明瞳と蛍光信号（７）の検出瞳とのためのマスクを形成する絞りアレイ（２３）を備えており、この絞りアレイ（２３）が、１つ以上の絞り開口部をそれぞれ備えた絞りアレイ素子を有しており、さらに、各絞りアレイ素子が、いずれの場合にも、１つの視野レンズアレイ素子（２０）および１つの瞳レンズアレイ素子（２３）に割りあてられており、それぞれの視野レンズアレイ素子（２０）および瞳レンズアレイ素子（２３）を通過するビーム経路のためのマスクを形成するようになっていることを特徴とする光学機器（１）。
【請求項２】
前記対物レンズアレイ（１８）内で、いずれの場合にも前記視野レンズアレイ素子（２０）と前記瞳レンズアレイ素子（２２）とから形成されたレンズ対が、いずれの場合にも前記検出部位（２）の１つに割りあてられていることを特徴とする請求項１記載の光学機器（１）。
【請求項３】
前記瞳レンズアレイ（２１）が、前記複数の検出部位（２）上に、前記視野レンズアレイ（１９）の画像を形成することを特徴とする前記請求項のいずれか１項に記載の光学機器（１）。
【請求項４】
前記視野レンズアレイ（１９）が、励起光（９）に関する照明瞳と、蛍光信号（７）に関する検出瞳とを生成することを特徴とする前記請求項のいずれか１項に記載の光学機器（１）。
【請求項５】
前記複数の検出部位（２）が、直径（Ｄ）を有しており、互いに間隔（ｄ）をおいて配置されていること、および瞳レンズアレイ素子（２２）の結像スケール（β）が、直径（Ｄ）に対する間隔（ｄ）の比率に等しくなっていることを特徴とする前記請求項のいずれか１項に記載の光学機器（１）。
【請求項６】
前記絞りアレイ（２３）が、前記視野レンズアレイ（１９）と前記瞳レンズアレイ（２１）との間または前記瞳レンズアレイ（２１）と前記複数の検出部位（２）からなる配列との間に配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学機器（１）。
【請求項７】
前記絞りアレイ（２３）に、検出部位（２）の１つにそれぞれ割りあてられている絞り開口部（２４、２５）の対が設けられており、これらの絞り開口部対が、いずれの場合にも、絞り開口部対における第１の絞り開口部（２４）が検出部位（２）に関する励起光（９）を通過させるように、および絞り開口部対における第２の絞り開口部（２５）が検出部位（２）からの蛍光信号（７）を通過させるように構成されていることを特徴とする請求項６〜７のいずれか１項に記載の光学機器（１）。
【請求項８】
前記励起光（９）のビーム経路および前記検出部位（２）からの蛍光信号（７）のビーム経路が、前記視野レンズ（８）の物体側において、すなわち前記視野レンズ（８）と前記視野レンズアレイ（１９）との間において、テレセントリックであることを特徴とする前記請求項のいずれか１項に記載の光学機器（１）。
【請求項９】
前記視野レンズアレイ素子（２０）が、円形または四角形であることを特徴とする前記請求項のいずれか１項に記載の光学機器（１）。
【請求項１０】
前記視野レンズアレイ素子（２０）が四角形であり、前記複数の検出部位（２）が直径（Ｄ）を有しているとともに、互いに間隔（ｄ）をおいて配置されており、前記視野レンズアレイ素子（２０）における４つのエッジが複数の個々の検出部位（２）における円形の境界線上、またはこの境界線内に結像されること、および前記瞳レンズアレイ素子（２２）の結像スケール（βQ）が四角形の視野レンズアレイ素子（２０）の対角線（√２・ｄ）における前記直径（Ｄ）に対する比率と等しいか、またはこれより大きくなっていることを特徴とする請求項９記載の光学機器。
【請求項１１】
前記光源がＬＥＤである請求項１〜１０のいずれか１項に記載の光学機器。
【請求項１２】
複数の個々の検出部位（２）からなる配列からの化学発光または生物発光の信号を結像するための光学機器（１）であって、
複数の個々の検出部位（２）からなる配列を有する平面支持体（４）を保持するための保持デバイス（３）と、
複数の個々の検出部位（２）からなる配列から、化学発光または生物発光の信号を受光するように構成されているとともに、コンピュータによって読み取り可能な一次データを生成するように設計されている光学センサー（６）と、
複数の個々の検出部位（２）からなる配列から光学センサー（６）に対して、化学発光または生物発光の信号を転送するように構成されている視野レンズ（８）と、
視野レンズ（８）から光学センサー（６）に対して、化学発光または生物発光の信号を転送するように構成されている結像レンズ配列（１１）とを備えた光学機器（１）において、
この光学機器（１）が対物レンズアレイ（１８）を備えており、
この対物レンズアレイ（１８）が視野レンズアレイ素子（２０）を有する視野レンズアレイ（１９）と、瞳レンズアレイ素子（２２）を有する瞳レンズアレイ（２１）とを備えており、
この対物レンズアレイ（１８）が複数の個々の検出部位（２）からなる配列と視野レンズ（８）との間のビーム経路内に配置されていることを特徴とする光学機器（１）。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の光学機器（１）と、
ＰＣＲ反応を実行することの可能な反応混合物をそれぞれ含んだ１つ以上のウェルを有する支持体（４）を、加熱および冷却するための手段と、
を備えたリアルタイムＰＣＲ機器。
【請求項１４】
複数のＰＣＲ反応をリアルタイムに同時に実行およびモニターするための分析システムであって、
ＰＣＲ反応を実行することが可能な反応混合物をそれぞれ含んでいる複数の個々の検出部位（２）からなる配列としてのマルチウェルプレートと、
蛍光ＤＮＡ結合実体と、
マルチウェルプレートにおける複数の個々の検出部位（２）を光によって照明するとともに、マルチウェルプレートの各ウェルからの蛍光信号を、コンピュータによって読み取り可能な一次データを生成するために、対応する蛍光信号（７）を受光することができるように構成された光学センサー（６）によって検出するための、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の光学機器（１）を備えた、請求項１３記載のリアルタイムＰＣＲ機器とを有する分析システム。
【請求項１５】
複数のＤＮＡターゲット配列を増幅、検出および／または定量するための方法において、
ＰＣＲ反応を実行することの可能な組成物または反応混合物を提供すること、
複数のＤＮＡターゲット配列の増幅が起こり得るように、熱サイクリックプロトコルにしたがって反応混合物を処理すること、および
蛍光ＤＮＡ結合実体および請求項１３に記載のリアルタイムＰＣＲ機器を用いた複数の増幅サイクルの後に、各ＤＮＡ配列の存在および数量を、少なくとも１回は測定することを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＤＮＡ分析の分野に関する。具体的には、本発明は、複数の検出部位における蛍光強度の平行結像のためのデバイスに関し、さらにこれに関連して、特に蛍光信号の蛍光検出のための励起および結像光学素子に関する。
【０００２】
本発明は、ＤＮＡ分析の分野に関する。具体的には、本発明は、複数の検出部位における蛍光強度の平行結像のためのデバイスに関し、さらにこれに関連して、特に蛍光信号の蛍光検出のための励起および結像光学素子に関する。
【背景技術】
【０００３】
当業者は、生体サンプルを分析するために、蛍光法および蛍光技術における様々な用途に精通している。電気泳動法の場合、タンパク質またはＤＮＡの電気泳動バンドを、ゲルまたはカラム中で可視化するために、これらタンパク質またはＤＮＡが蛍光プローブによって標識する。さらに、従前におけるバイオチップの用途のほとんどは、蛍光読み取りに基づいている。この読み取りでは、固体の支持体に固定化されたプローブ分子に対する、蛍光標識されたターゲット分子における特定の結合がモニターされる。液相におけるＤＮＡ分析の用途には、色素SybrGreen1などの蛍光ハイブリダイゼーションプローブが含まれる。この色素SybrGreen1は、２つの蛍光プローブおよびエネルギー転移を利用する、２本鎖ＤＮＡまたはＦＲＥＴ（fluorescence Resonance Energy Transfer：蛍光共鳴エネルギー転移）プローブに結合するものである。液相における蛍光技術に関する１つの非常に重要な用途としては、リアルタイムでのＰＣＲ産物の定量、いわゆるリアルタイムＰＣＲがある。
【０００４】
ＰＣＲ（polymerase chain reaction；ポリメラーゼ連鎖反応）は、２本鎖ＤＮＡ（deoxyribonucleic acid：デオキシリボ核酸）の量を増幅または増殖するための方法である。ＰＣＲ装置では、温度サイクリングのためのブロックが、サンプルベッセル（ウェル）を備えた１つ以上の保持デバイスを有している。このベッセルは、ＤＮＡの初期量をもってスタートし、より多くのＤＮＡを得るために使用される、反応に関する成分の混合物を収容している。スタート時の成分は、溶液中に、「種苗量」のＤＮＡ、特定の初期ＤＮＡ、ＤＮＡ要素、酵素および他の化学薬品を含んでいる。前記のブロックの温度は、全てのＤＮＡ鎖が二重鎖に再結合する、約６０℃のＰＣＲ反応における低温の拡張位相と、ＤＮＡが単一鎖に分離または変性される、約９５℃のより高温の変性位相との間で循環する。このような温度プログラムは、基本的に、各サイクルにおいてＤＮＡを倍増し、これは、ＤＮＡの実質的な量を、わずかな初期量から複製することが可能である。ＤＮＡの定量的決定は、蛍光測定を使用することによって実行され、これはまた、リアルタイムで実行される。
【０００５】
前記のすべての場合において、光学機器、すなわち、蛍光に関する励起および読み取りデバイスは、アッセイの蛍光マーカーを励起するために特定波長の光を供給すること、および、わずかに異なる波長をもって放射されるマーカーからの蛍光を検出することが可能であること、が求められている。全ての蛍光測定デバイスにおける大きな問題は、色素によって放射される蛍光に比べて、励起光の強度がはるかに強いことにある。このために、蛍光信号を正確にモニターすることを可能とするためには、励起ビームが検出器にあたらないことを確保しなければならない。言い換えれば、励起光のビーム経路（光路）は、少なくとも部分的に、蛍光のビーム経路（光路）と異なっていなければならない。この目的のために、一般に、以下に示す測定が採用されている。ａ）励起および放射フィルターによって、大きくオーバーラップしないスペクトルを分離する。ｂ）垂直照明（または落射照明）、または側面照明を使用する。これらを採用する場合には、照明光のビームは、直接的に検出されることの可能な方向を向かなくなる（暗視野）。少なくとも１つの反射、弾性散乱または蛍光発光（非弾性散乱）が必要とされる。測定ｂ）は、通常、測定ａ）のサポートとして使用される。これは、測定ａ）にしたがうフィルタブロッキングが、完全ではないためである。
【０００６】
たとえば毛細管の液相において、１種類の蛍光プローブだけがモニターされなければならない場合、蛍光原理を実施することは非常に容易である。この場合、この要件を満たすためには、たとえば、２色性ミラーとフィルターとのセットを備えた白色光源で十分である。しかしながら、サンプル中に１種類より多い蛍光マーカーが存在する場合には、固体の支持体上において横方向に分布する位置、またはマイクロタイタープレートの蛍光をモニターする必要があり（単一のサンプルベッセル内において、異なる色素が存在し検出される場合を除く）、蛍光測定のための光学機器に対する要件を満たすことは、より困難となる。
【０００７】
基本的に、横方向に分布する検出部位の蛍光を励起してモニターするためには、２つの異なった戦略が存在する。第１の戦略は、横方向に分布する検出部位を走査し、個々の検出部位を１つずつ連続的に分析していくことである。第２の戦略は、分布する検出部位の全体に対して同時に照明を行って、複数の光学センサー（たとえばＣＣＤチップ）上において、対応する蛍光を結像することである。前記の走査戦略は、支持体を二次元的に移動させる必要がある（たとえば、国際公開第０３／０６９３９１号パンフレット、独国特許第１０２ ００ ４９９号明細書を参照されたい）、支持体に関して検出器を移動させる必要がある（米国特許出願公開第２００２／１５９０５７号明細書）、検出器を１つの次元において移動する必要がある一方、支持体を他の次元において移動する必要がある、または光学システムが、１次元または２次元の走査手段（たとえばガルボミラー）を備える必要がある、という明白な欠点を有している。一方、支持体全体を同時に照明する第２の戦略における主な難点は、分布している検出部位の全体に対して、均一な照明を行わなければならない点にある。
【０００８】
分布している検出部位の全体にわたって均一な照明を行うことの代替法は、複数の光源からなる配列を使用することにあり、これにより個々の検出部位はその各自の光源によって照明される。独国特許第１０１ ３１ ６８７号明細書は、複数のウェルを備えた熱サイクラー中において、照明のためのビームスプリッターおよびＬＥＤ配列を用いてＰＣＲの評価を行うための戦略について記載している。独国特許第１０１ ５５ １４２号明細書は、蛍光信号の暗視野モニタリングについて記載している。この場合も、ＬＥＤ配列によってマイクロアレイを照明するが、この実施形態においては、ビームスプリッターは必要とされていない。
【０００９】
励起ビームおよび蛍光（検出される蛍光信号の蛍光）におけるビーム経路を、少なくとも部分的に分離するための要件に関しても、同様に２つの異なる可能性が存在する。第１の可能性は、いわゆる落射照明である。この場合ビームスプリッターが利用され、励起ビームおよび蛍光が、光学システムの少なくとも一部を共有している。第２の可能性は、傾斜照明を用いることである。この場合励起ビームが支持体の表面の法線に対して特定の角度を有し、この励起ビームにおける対応する反射が、検出システムにおける開口角の外側にくるように励起ビームが構成される（たとえば、米国特許出願公開第２００２／０００５４９３号明細書、欧州特許出願公開第１ ２７５ ９５４号明細書）。
【００１０】
米国特許出願公開第２００３／００１１７７２号明細書は、ビームスプリッターを用いてプローブ内の複数の蛍光色素を同時に観測するための、光学デバイスを記載している。独国特許出願公開第１９７ ４８ ２１１号明細書は、ビームスプリッターと、視野レンズと、各ウェルに光の焦点を合わせるレンズ配列とを用いて、マイクロタイタープレートのウェル内において発生する蛍光信号を同時にモニターするためのシステムを開示している。検出は、フォトダイオード配列またはＣＣＤチップ上に、光を結像することによってなされる。このシステムにおける前記の実施形態において集光される蛍光は、集光レンズの光円錐によって励起される色素の量によって決まるため、ウェルの充填レベルに依存することになる。
【００１１】
国際公開第９９／６０３８１号パンフレットは、その温度が循環的に制御されるブロック内において、複数のウェルにおけるＰＣＲ反応を同時にモニターするためのデバイスを記載している。このデバイスの光学部品も、同様に、ビームスプリッターと、視野レンズと、各ウェルに個々の光ビームの焦点を合わせるウェル用のレンズ配列と、たとえばＣＣＤ検出器上に放射光の焦点を合わせる検出手段とを含んでいる。ウェル用のレンズ配列を必要とするために、個々の検出部位におけるサイズおよび横方向の密度が制約される。この構成における光収率は低く、個々の検出ウェル間に無視できないクロストークが発生する（すなわち、チャネル分離が低い）。
【００１２】
特開２００２−０１４０４４号公報は、複数のウェルにおいて発生する蛍光をモニターするための、蛍光分析デバイスを記載している。光学部品は、ビームスプリッターと、ウェルの深さ方向に平行な光によってウェルを一括して照明するレンズシステムとを含んでいる。しかしながら、この画像光学システムは、検出手段上に光を集める。米国特許第６４９８６９０号明細書は、テレセントリックレンズを有する対物レンズを用いた結像アッセイ方法を開示している。米国特許第６２４６５２５号明細書は、フレネルレンズを含む、サンプルキャリアを結像するための結像デバイスを記載している。欧州特許出願公開第０ ９８７ ５４０号明細書は、テレセントリックレンズのセットを備えた結像ユニットを有する、蛍光アッセイのための結像デバイスを開示している。欧州特許出願公開第１ ４０６ ０８２号明細書は、テレセントリック照明を備えた蛍光読み取りデバイスについて記載している。
【００１３】
欧州特許第１ ６８１ ５５５号明細書は、横方向に分布している検出部位からの蛍光信号を同時にモニターするための、改善されたデバイスを記載している。この構成では、ビーム経路が、均一な照明および正確な検出に関して最適化されている。この構成は、結像レンズ配列を有している。このレンズ配列は、視野レンズから光学センサーに向けて蛍光信号を転送するように、および励起光のビーム経路および複数の個々の検出部位からの蛍光信号におけるビーム経路が、視野レンズの物体側においてテレセントリックとなるという特性を有するように構成されている。
【００１４】
欧州特許第１ ６８１ ５５６号明細書は、類似しているが、さらに改善されたデバイスについて記載している。このデバイスでは、複数の個々の検出部位からなる配列における平らな支持体に対する入射角度が０°より大きくなっている励起光を生成するように視野レンズが構成されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
これらのデバイスを用いることによって、よい結果を得ることが可能である。しかしながら、実際には、より小さい蛍光信号であっても検出することを可能とするため、または改善された信号対雑音比または改善された解像度をもつ蛍光信号を検出することを可能とするために光収率をさらに改善することが可能である、ということが判明している。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の目的は、より高い光収率に関してビーム経路を最適化することによって、横方向に分布している複数の個々の検出部位からの蛍光信号を同時にモニターするための改善されたデバイスまたは改善された光学機器を提供することにある。本発明における一態様では、解決すべき問題は、マイクロタイタープレート形式におけるリアルタイム多重化ＰＣＲのモニタリングにおける改善に関連している。
【００１７】
このように本発明は、複数の個々の検出部位からなる配列の蛍光信号を結像するための光学機器であって配列の全体的なエリアにわたる均一な励起、対応する蛍光信号における正確な結像および高い光収率を実現する光学機器を対象としている。
【００１８】
より詳細には、本発明はマイクロタイタープレートのウェル中において生じている複数のＰＣＲ増幅を同時にリアルタイムに分析するための光学機器またはターゲットとプローブとの間における特定の相互作用に関する尺度として、マイクロアレイの蛍光強度を結像するための光学機器を対象としている。
【００１９】
この目的は、本発明にしたがって請求項１の構成を有する光学機器によって達成される。好ましい実施形態については、従属および独立の請求項および添付図面を用いた後述する説明に由来する。
【００２０】
したがって、本発明にしたがう光学機器は、複数の個々の検出部位からなる配列からの蛍光信号を結像するための光学機器であって、
複数の個々の検出部位からなる配列を有する平面支持体を保持するための保持デバイスと、
少なくとも１つの励起周波数を含む光を放射するための、少なくとも１つの光源と、
複数の個々の検出部位からなる配列から蛍光信号を受光するように構成されているとともにコンピュータによって読み取り可能な一次データを生成するように設計されている光学センサーと、
複数の個々の検出部位からなる配列に対して光源からの励起光を転送するとともに、複数の個々の検出部位からなる配列から光学センサーに対して蛍光信号を転送するように構成されている視野レンズと、
光源から視野レンズに対して励起光を転送するように構成されている励起レンズ配列と、
視野レンズから光学センサーに対して蛍光信号を転送するように構成されている結像レンズ配列とを備えた光学機器において、
これが、瞳レンズアレイ素子を有する瞳レンズアレイと、視野レンズアレイ素子を有する視野レンズアレイとを備えた、対物レンズアレイを備えており、
この対物レンズアレイが、複数の個々の検出部位からなる配列と視野レンズとの間のビーム経路内に配置されていることを特徴としている。
【００２１】
好ましい実施形態では、励起光のビーム経路と複数の個々の検出部位からの蛍光信号のビーム経路とは、視野レンズの物体側においてテレセントリックである。すなわちこの光学機器はテレセントリックな瞳位置を使用している。より正確に表現すると、視野レンズの物体側および視野レンズアレイの物体側におけるビーム経路は、本発明の範囲内においてテレセントリックである。他方の側では、すなわち瞳レンズアレイと複数の個々の検出部位からなる配列との間では、ビーム経路は、もはやテレセントリックではない。ここではテレセントリズムは、もはや不要である。各検出部位は周期的な対物レンズアレイを介して照明および検出のための同じ非テレセントリックな瞳に「対面」する。
【００２２】
本発明は、より小さい蛍光信号であっても検出することを可能とするため、または改善された信号対雑音比または改善された解像度をもつ蛍光信号を検出することを可能とするために高い光収率を可能とするだけでなく、さらに多くの他の利点（たとえば、より急速な蛍光測定など）を有するものである。また従来技術では、従前から低かった光収率を補うために高い照明密度を有する高性能のランプ（たとえば、キセノンアークランプ）が使用されている。しかしながら、このような高性能のランプは、入念な熱除去または冷却を必要とする高い熱的な散逸損失を有するだけでなく、かなり短い寿命（通常、約５００時間程度）を有するものである。したがって従来技術では、周期的なランプ交換が必要である。継続的な測定（たとえば、リアルタイムＰＣＲ）の最中にランプが壊れた場合、特定のサンプルに対する測定の全体が失われることさえありうる。本発明による信号利得および感度の改善は、これらの問題を回避するとともにより弱い（したがってより長持ちする）ランプを使用可能とし、さらにより長い寿命およびより高い信頼性を有する代替的な光源（たとえばＬＥＤ）を使用可能とする。このように本発明における重要な利点は、使用される光源の寿命を長期化することにある。したがって本発明における前記の光学機器は、光源として、好ましくはＬＥＤまたはレーザーを有しており、より好ましくはＬＥＤを有している。
【００２３】
本発明の文脈において、複数の個々の検出部位からなる配列とは、空間的に分離され、横方向に分布している２つ以上の検出部位からなる物体の総称である。この検出部位は、たとえばマイクロタイタープレートのウェルまたは顕微鏡のスライドまたはスライドガラスにおける官能化表面エリアとすることが可能である。
【００２４】
本発明の範囲内においては、前記の配列における平面支持体は、好ましくは平面状の固相である。マイクロアレイの場合、この配列の平面支持体は検出部位の配置されているこの平面状固相の表面である。マイクロタイタープレートの場合、この配列の平面支持体はウェルの開口部が配置されている平面である。この配列の平らな支持体は、ビーム経路内において、個々の検出部位のそれぞれをターゲット位置において安定化するために保持デバイスによって固定されている。
【００２５】
本発明の範囲内においては、光源という表現は、単一の周波数を有する光または複数の異なる周波数を有する光を発する発光体を含んでいる。さらにこの光源については、１つより多くの前記発光体からなる配列とすることも可能である。
【００２６】
本発明の文脈においては、光学センサー（検出器、変換器）とは、可視光をコンピュータによって処理することの可能な電気信号に変換するためのデバイスである。この光学センサーは、１つの個別の光学センサーまたは、より多くの光学センサーを備えることが可能である。好ましい実施形態では、光学センサーは、空間的に分布された配列（好ましくは、複数の個々の検出部位からなる配列に対応するように設計された配列）に配置された、複数の光学センサーを含んでいる。好ましい実施形態は、たとえばフォトダイオードまたは特に電化結合部品（たとえばＣＣＤチップ）などの半導体部品である。
【００２７】
本発明の範囲内においては、テレセントリック光学システムとは開口絞りを有する光学システムであって、この開口絞りが開口絞りと物体との間の光学素子によって、無限遠に向けて投影されている光学システムである。換言すればこのテレセントリック光学システムの主ビームは、物体空間において準平行状態にある。主ビームという表現は、開口絞りの中心を抜けて進む全てのビームのために使用されている。物体、物体面および物体空間という表現は、複数の個々の検出部位からなる配列を有する平面支持体を記述するために使用されている。このテレセントリック光学システムでは、励起レンズ配列および結像レンズ配列の双方はそれら自身の開口絞りを有している。このテレセントリック光学システムは、励起および対物レンズアレイの視野レンズ側における蛍光信号を検出するためのビーム経路に関してテレセントリックである。光軸に垂直な平面内における各物点は、主励起ビームおよび主検出ビームに対応している。全ての主励起ビーム、さらに全ての主検出ビームが準平行状態にあるために物体面内における横方向へのきわめて均一な分布が確保され、また前記配列における中央部にある検出部位が、この配列の端部にある検出部位と同様になる。
【００２８】
本発明においては、テレセントリック光学システムは常に視野レンズを有している。本発明の文脈においては、視野レンズとは物体に対して最も近くにあるレンズのことである（本発明にしたがう対物レンズアレイをもたない光学機器の実施形態に関連する）。全ての励起光ビームおよび全ての蛍光信号はこの視野レンズを通過する。この視野レンズは、１つ以上の部品を有することが可能であり、デバイスの追加的な光学部品とともにデバイスの物体空間および／または画像空間におけるテレセントリック性に寄与する。視野レンズにおける１つ以上の部品（色消しシステム）は、それ自体が空間的に分離されたレンズ素子となることが可能である。この視野レンズは光学デバイスの視野を決定する。
【００２９】
本発明の範囲内においては、テレセントリック光学システムは追加的に非常に小さな開口部を有する（したがって深い焦点深度を有する）光学システムであることが好ましい。これにより物体空間内において、テレセントリック性を用いている励起光学システムまたは結像光学システムの品質は、光学システムから特定の物点までの距離に無関係になる。テレセントリック光学システムの開口部は無限遠に結像される。
【００３０】
本発明の視野レンズは、光源からの励起光を複数の個々の検出部位からなる配列に対して転送する一方、複数の個々の検出部位からなる配列からの蛍光信号を光学センサーに対して転送する。このことはビーム経路内、たとえば光源と視野レンズとの間、視野レンズと光学センサーとの間または視野レンズと複数の個々の検出部位からなる配列（特に本発明にしたがう対物レンズアレイ）との間に追加的な光学部品が導入されるかもしれない可能性を除外するものではない。
【００３１】
入射角αは、励起光ビームにおける準平行状態にある主ビームと界面（本発明の範囲おいては前記配列の支持体である）の法線との間の角度として規定されている。
【００３２】
本発明における改良された態様にしたがうと、この態様は複数の個々の検出部位からなる配列からの化学発光または生物発光の信号を結像するための光学機器であって、
複数の個々の検出部位からなる配列を有する平面支持体を保持するための保持デバイスと、
複数の個々の検出部位からなる配列から、化学発光または生物発光の信号を受光するように構成されているとともにコンピュータによって読み取り可能な一次データを生成するように設計されている光学センサーと、
複数の個々の検出部位からなる配列から光学センサーに対して、化学発光または生物発光の信号を転送するように構成されている視野レンズと、
視野レンズから光学センサーに対して、化学発光または生物発光の信号を転送するように構成されている結像レンズ配列とを備えた光学機器において、
これが、対物レンズアレイを備えており、この対物レンズアレイが視野レンズアレイ素子を有する視野レンズアレイと瞳レンズアレイ素子を有する瞳レンズアレイとを備えており、
この対物レンズアレイが複数の個々の検出部位からなる配列と視野レンズとの間のビーム経路内に配置されていることを特徴とする光学機器を対象としている。
【００３３】
本発明における他の対象は、
本発明にしたがう光学機器と、
ＰＣＲ反応を実行することの可能な反応混合物をそれぞれ含んだ１つ以上のウェルを有する支持体を加熱および冷却するためのデバイスと、
を備えたリアルタイムＰＣＲ機器である。
【００３４】
本発明の範囲内においては、加熱および冷却のための手段は核酸の周期的なＰＣＲ増幅を実行するために複数の個々の検出部位からなる配列の温度を周期的な方法において制御および変更することの可能な任意の手段を含んでいる。このような加熱および冷却デバイスは熱循環装置において一般的に使用されており、当業者にとって周知のものである。
【００３５】
本発明においては、複数の個々の検出部位からなる配列は並行分析を実現するために好ましくはマイクロタイタープレート内またはスライドガラスの官能化表面上において、空間的に分離された２つ以上のアッセイからなる、個々のアッセイ体の総称であることが好ましい。
【００３６】
さらにビーム経路という表現は、本発明においては少なくとも視野レンズを介して光源から複数の個々のアッセイからなる配列に向かうまでの間および少なくとも１つの視野レンズを介して複数の個々のアッセイからなる配列から光学センサーに向かうまでの間に光ビームが通過する、全てのエリアを総称するために使用されている。
【００３７】
本発明における他の主題は、１つ以上のＰＣＲ反応をリアルタイムに同時に実行およびモニターするためのシステムであって、
ＰＣＲ反応を実行することが可能な反応混合物をそれぞれ含んでいる複数の個々の検出部位からなる配列としてのマルチウェルプレートと、
蛍光ＤＮＡ結合実体と、
マルチウェルプレートにおける複数の個々の検出部位を光（好ましくは、テレセントリック光）によって照明するとともにマルチウェルプレートの各ウェルからの蛍光信号をコンピュータによって読み取り可能な一次データを生成するために、対応する蛍光信号を受光することができるように構成された光学センサーによって検出するための、本発明にしたがう光学機器を備えた、本発明にしたがうリアルタイムＰＣＲ機器とを有するシステムである。
【００３８】
好ましくは、前記ＰＣＲ機器の光源はＬＥＤである。
【００３９】
本発明においては、前記の蛍光ＤＮＡ結合実体は増幅されたＤＮＡをリアルタイムに検出するための任意の蛍光色素または蛍光色素からなる配列である。これらは、当業者によって知られており、増幅されたＤＮＡを検出するために使用することの可能なものであって、たとえば２本鎖ＤＮＡ特異的結合色素、蛍光標識されたハイブリダイゼーションプローブ（そのターゲット核酸と結合したときにだけ、蛍光を放射する）、TaqManプローブ、分子ビーコン、単一標識プローブ（ＳＬＰ：single label probes）またはＦＲＥＴハイブリダイゼーションプローブである。
【００４０】
本発明のさらに他の主題は、複数のＤＮＡターゲット配列を増幅、検出および／または定量するための方法において、
ＰＣＲ反応を実行することの可能な組成物または反応混合物を提供すること、
複数のＤＮＡターゲット配列の増幅が起こり得るように熱サイクリックプロトコルにしたがって反応混合物を処理すること、および
蛍光ＤＮＡ結合実体および本発明にしたがうリアルタイムＰＣＲ機器を用いた複数の増幅サイクルの後に、各ＤＮＡ配列の存在および数量を少なくとも１回は測定することを含む方法である。
【００４１】
ＰＣＲ反応を実行することの可能な組成物または反応混合物は、本発明の範囲内においては、バッファー、ヌクレオチド、酵素、プライマーおよび蛍光ＤＮＡ結合実体を含んでいる。
【００４２】
熱サイクリックプロトコルは、溶解、アニーリングおよび増幅温度のサイクルおよび時間周期を規定するプロトコルである。
【００４３】
本発明は、さらに図面に示された非限定的な実施例に基づいて以下に説明される。そこに記述された特徴点については、本発明における好ましい実施形態を作り出すために単独で、または互いに結合された状態で使用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】従来技術にしたがう光学機器における実施形態の概略図である。
【図２】ウェル内のサンプルに対する光学的な分析および照明のための孔を有する、ＰＣＲマルチウェルプレートにおける熱伝達カバーを示す図である。
【図３】本発明にしたがう光学機器の実施形態における、本発明にしたがう詳細部分を示す概略図である。
【図４】視野レンズアレイ、絞りアレイおよび瞳レンズアレイを備えた、本発明にしたがう対物レンズアレイを示す図である。
【図５】蛍光励起に関するビーム経路とともに、本発明にしたがう対物レンズアレイのチャネルを通る断面を示す図である。
【図６】蛍光検出に関するビーム経路とともに、本発明にしたがう対物レンズアレイのチャネルを通る断面を示す図である。
【図７】蛍光励起および蛍光検出に関する２つの分離された絞り開口部を有する絞りとともに、本発明にしたがう対物レンズアレイのチャネルを通る断面を示す図である。
【図８】対物レンズアレイによって結像される物体としての、図２に示した熱伝達カバーの上面図である。
【図９】対物レンズアレイによって結像された後の、図８に示した熱伝達カバーの画像を示す図である。
【図１０】視野レンズアレイの部位における、検出光学素子および照明光学素子のビーム方向と、対物レンズアレイにおける全ての方向のエンベロープとを示す図である。
【図１１】対物レンズアレイにおける４つの隣接するチャネル（いずれの場合にも、３つの視野ポイントからの光線の束を示している）の断面を示す図である。
【図１２】対物レンズアレイの絞り画像をマスクするための、絞りアレイを示す図である。
【図１３】熱伝達カバーにおける円形の孔内にある、矩形の視野レンズアレイ素子を示す図である。
【図１４】矩形状に区切られた視野レンズアレイを備えた対物レンズアレイを、上側の視点から示す図である。
【図１５】図１４に示した対物レンズアレイを、下側の視点から示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
図１は、従来技術にしたがう（たとえば、欧州特許第１ ６８１ ５５５号明細書または欧州特許第１ ６８１ ５５６号明細書にしたがう）、複数の個々の検出部位２における蛍光信号を結像するための、光学機器１における実施形態の概略図を示している。光学機器１は、マイクロタイタープレートにおける個々のウェル中において生じる複数のＰＣＲ増幅（ポリメラーゼ連鎖反応増幅）を、同時にモニターおよび検出するために使用される。したがって、マルチウェルプレートのウェルは、複数の個々の検出部位２からなる配列を形成している。
【００４６】
光学機器１は、複数の個々の検出部位２からなる配列からの蛍光信号を結像するための機器であって、複数の個々の検出部位２からなる配列を備える平面支持体４を保持するための保持デバイス３、少なくとも１つの励起周波数で光を放射する少なくとも１つの光源５、複数の個々の検出部位２からなる配列からの蛍光信号７を受信するように構成されているとともに、コンピュータによって読み取り可能な一次データを生成するように設計されている光学センサー６、光源５からの励起光９を複数の個々の検出部位２からなる配列に転送するとともに、複数の個々の検出部位２からなる配列からの蛍光信号７を光学センサー６に転送するように構成されている視野レンズ８、光源５からの励起光９を視野レンズ８に転送するように構成されている励起レンズアレイ１０および視野レンズ８からの蛍光信号７を光学センサー６に転送するように構成されている結像レンズ配列１１を備えている。
【００４７】
蛍光信号７を結像することの可能な多くの機器が、当業者によって知られている。光学機器１が、複数の個々の検出部位２（たとえば、マイクロタイタープレートのウェルまたはマイクロアレイのスポット）からなる配列からの蛍光信号７を同時に結像することが可能であるべきである場合、配列の中央および配列の境界部における、励起光９による色素の励起および蛍光信号７の結像が同程度であることを保証しなければならない。さらに光ビーム全体にわたる均一な強度分布の要件が満たされているとしても、支持体４が全体として結像光学素子および励起光学素子の焦点面内にあることを確保するためには、この平面支持体４の位置合わせは、まだなお重要である。これに加えてマイクロタイタープレートのウェルの場合のように、光学機器１によって検出される支持体４または複数の個々の検出部位２が深さを有するときにはいくつかの特別の問題が生じる。
【００４８】
前記の問題に対する解決策は、テレセントリック光学素子を使用することにある。テレセントリック光学システムでは、個々の物点から拡がる主ビームは準平行状態にある。実質的にはこれらの主ビームは、光学的な収差のない場合には完全に平行にもなる。ここで後者は、テレセントリック性の誤差と呼ばれるものである。もちろん各物点は、瞳の中央から照射される主ビームだけでなく、瞳の端部から照射されるエッジビーム、さらにエッジビームと主ビームとの間にあるビームも見ている。このように各物点は、円錐内に位置している光線の束に対して配置されている。この円錐の軸は主ビームである。円錐は理想的には小さな開口角を有している。実際には円錐が２つになることもある。すなわちその１つは照明用であり、もう１つは検出用である。テレセントリック光学システムの結果として有限の視野内にあるすべての物点は、ほぼ同じ遠近感および、ほぼ同じ強度をもって観察される。換言すると、テレセントリック光学システムは、大きな焦点深度および均一な励起または結像プロファイルを有している。
【００４９】
光学システムの特性については、その開口数（ＮＡ：開口数）によって特徴づけることが可能である。この開口数は、一般には高い感度および良好な結像解像度を達成するためにできるだけ大きくすべきである。
【数１】
2010032513.tif 000003
【００５０】
この式では、ｎは媒体の屈折率であり、θは開口角である。
【００５１】
横方向に分布する検出部位２のテレセントリック励起および、この検出部位２からの蛍光信号７におけるテレセントリック結像のための光学機器を設計する場合には、いくつかの態様を考慮に入れる必要がある。
【００５２】
一方においては、ＮＡ値をできるだけ大きくするべきである。これは、結像光学素子に対してＮＡ値が小さいと結像解像度が悪くなり、励起光学素子に対してＮＡ値が小さいと励起のための照明力が損なわれるからである。他方においては、ＮＡ値を最小化することによってマイクロタイタープレートの場合のように、個々の検出部位２からなる配列が一定の深さを有する場合に重要となりえるテレセントリック光学素子の焦点深度を増大することが可能となる。さらに小さい開口を有する光学システムは、一般に安価に製造することが可能である。このため商業的な観点からも小さいＮＡ値が好ましい。
【００５３】
テレセントリック光学機器１を全ての周波数範囲において使用することを目的とする場合には、光学素子についても無色のものとしなければならない。蛍光結像自体に関しても対処しなければならない要件はさらに多い。これは光学センサー６上において横方向に分布する検出部位２を正確に再現するために、蛍光結像が正しいスケーリングを有していなければならないからである。さらに球面収差、色収差、コマ収差、非点収差または視野の湾曲などの結像誤差についても考慮に入れなければならない。
【００５４】
テレセントリック光学素子を作成するためにはいくつかの方法がある。一般にテレセントリック光学システムは、ビーム路内に複数のレンズを連続的に配置した多素子レンズの形状を有している。テレセントリック光学システムについては、物体面においてテレセントリックなものとして、または結像面においてテレセントリックなものとして、または、いわゆる二重テレセントリック光学システムである、両方の面においてテレセントリックなものとして設計することが可能である。さらにテレセントリック光によって物体を照明すること、および／または、テレセントリックな方法において物体を検出することが可能である。一般的には、物体面においてテレセントリック性を有する光学システムを提供するだけで十分である。これはこのことによって、すでに横方向および３次元的に物体全体を均一に照明することが可能であるとともに、物体から放射される光を正確に集光することができるからである。
【００５５】
この発明の範囲内においては、複数の個々の検出部位２の励起および複数の個々の検出部位２によって放射される蛍光信号７の結像については、好ましくはテレセントリックな方法において実施される。
【００５６】
すべてのテレセントリック光学素子の中心部は、視野レンズ８である。このレンズは物体に最も近く、かつ、機器１の視野を決定するものである。したがって複数の個々の検出部位２からなる配列が広いエリアにわたって分布している場合には、通常このレンズの直径は増大する。視野レンズ８はシングレット（１つの単レンズ）として、または、たとえば互いに貼り付けられた２つのレンズを含む色消しレンズとして存在する。この発明にも用いることの可能な特有の視野レンズ８はフレネルレンズである。フレネルレンズは、視野レンズ８と同じテレセントリック特性を提供する少なくとも１つの光学的に有効な表面上に複数のテーパー領域を有する独特の複雑な湾曲を有している。ほとんどの場合、フレネルレンズは光軸に垂直な平坦面によって支持される複数のテーパー領域を有する表面を１つしか有していない。このためフレネルレンズは、通常の視野レンズに比べて薄くなっている。いわゆるフリーフォームレンズを使用することも可能である。実際に視野レンズは、テレセントリック性の誤差を最小化するために多くの場合に非球面である。しかしながら、通常これらの非球面は回転対称性を有している。この場合後者は、自由曲面ではない。
【００５７】
特に一定の深さを有するマイクロタイタープレートのウェルの場合、入射角が大きいとウェルにおける内側の領域の一部だけが照明される、という影響が及ぼされる。したがってマイクロタイタープレートに関しては、入射角を２０°より小さくすることが適当である。光学機器１における好ましい実施形態では励起光９の入射角αは、２０°未満であり、好ましくは１０°未満であり、最も好ましくは５°未満である。
【００５８】
一方で、入射角αは、また励起光学素子および結像光学素子の双方における有限の開口がゼロより大きいために小さい値に制限されることに留意されたい。
【００５９】
本発明にしたがう光学機器１における他の好ましい実施形態では、入射角αは以下のように表される。
【数２】
2010032513.tif 000004
【００６０】
ここで、θ1は励起光学素子の開口半角であり、θ2は結像光学素子の開口半角である。
【００６１】
励起光学素子および結像光学素子の双方における開口半角θは、対応する開口数ＮＡによって、
【数３】
2010032513.tif 000005
のように定義される。
【００６２】
ここで、ｎiは物体とそれぞれの光学素子との間における媒体の屈折率であり、励起光学素子に関してはｉ＝１である一方、結像光学素子に関してはｉ＝２である。入射角αが前記の等式によって定義されるよりも小さくなる場合には、光学センサー６にあたる励起光ビームの反射光の量が増大する。このことは平面の固体支持体４上の官能化スポットからなる配列に関してあてはまるとともに、マイクロタイタープレートに関してもあてはまる。
【００６３】
他の好ましい変化形において、本発明にしたがう光学機器１は光源５から複数の個々の検出部位２からなる配列に向けて、他の複数の周波数を遮断しながら少なくとも１つの励起周波数を転送することの可能な励起フィルターシステム１２、および／または、励起周波数の光を遮断しながら複数の個々の検出部位２からなる配列から光学センサー６に向けて蛍光信号を転送することの可能な結像フィルターシステム１３をさらに備えている。
【００６４】
前述のように光学機器１は、光源５から視野レンズ８に向けて光を転送する、励起レンズ配列１０を備えている。このことは光源５の光が、複数の個々の検出部位２からなる配列上において、視野レンズ８および励起レンズ配列１０を含む励起光学システムを用いて結像されることを意味している。この励起光学システムは、視野レンズ８の物体側上にテレセントリックな励起光９を与えるのでテレセントリック励起光学システムである。励起レンズ配列１０は、光源の出力の利用性をより高めるべく、励起開口を増大させるために少なくとも１つのレンズを含んでおり、好ましくは少なくとも３つのレンズを含んでいる。レンズの量を減らすべき場合には、励起レンズ配列１０は非球面のものを含むことが可能である。このテレセントリック励起光学システムは、励起波長によらずに複数の個々の検出部位２からなる配列の全体にわたる均一な強度分布を達成するために無色に設計されている。
【００６５】
光源５は、たとえば白色光源、ガス放電ランプ、キセノンランプ、水銀ランプ、フィラメントランプ、またはタングステンランプなどの複数の周波数を含む光を放射する光源とすることが可能である。光源５は、また、たとえばレーザーまたはＬＥＤなどの単一周波数の光または狭い周波数帯域の光のみを放射するものであってもよい。光源５は、また、１つ以上の発光体を組み合わせたものを備えていてもよい。さらにフィルターまたはフィルターのセットを使用することも可能である。
【００６６】
前記のテレセントリック励起光学システムは、視野レンズ８、励起フィルターシステム１２および励起レンズ配列１０に加えて、いくつかの追加的な部品を備えることが可能である。一実施形態では、このテレセントリック励起光学システムは光源から光学システムの光学部品に光を転送するために光ガイドをさらに備えている。光ガイドを用いることによって種々の光源５からの光を結合し、この結合光を光学部品に対して同時に転送することが可能となる。励起光９および／または蛍光信号７の方向については、ミラーまたはビームスプリッター１４または光偏向ユニットによって、変更することが可能である。さらに光ミキサー（たとえば、光ミキシングロッド）を使用することも可能である。
【００６７】
光源５からの光は、視野レンズ８および励起レンズ配列１０を含むテレセントリック励起光学システムを用いて複数の個々の検出部位２からなる配列上に結像される。したがって、本発明におけるこの実施形態では複数の個々の検出部位における励起は、物体空間において好ましくはテレセントリックな励起光学システムによって実行される。
【００６８】
図１に示した光学機器１については、化学発光および生物発光の信号の結像にも適用することが可能である。これらの場合においては、励起光９は必要ないので、光源５、励起レンズ配列１０および励起フィルターシステム１２を省略することができる。蛍光信号７を結像するための光学機器１において他の設計を実施することも可能である。
【００６９】
図１に示した光学機器１は、視野レンズ８から光学センサー６に向けて光を転送する結像レンズ配列１１を備えている。このことは複数の個々の検出部位２からなる配列において生成された蛍光信号７が視野レンズ８および結像レンズ配列１１を含むテレセントリック結像光学システムによって光学センサー６上に結像されることを意味する。本発明における他の実施形態では、このテレセントリック結像光学システムは、たとえば光ビームフォールディングユニット、および／または、特別な結像フィルターシステム１３をさらに備えている。
【００７０】
テレセントリック結像光学システムについては、光学センサー６のサイズおよび複数の個々の検出部位２からなる配列の空間的な大きさに対して最適化しなければならない。励起レンズ配列１０の場合のように、結像レンズ配列１１は少なくとも１つのレンズを含んでおり、好ましくは少なくとも５つのレンズからなる配列を含んでいる。励起光学システムに比べて、結像光学素子に関してはより高度な要件が考慮されなければならない。このため結像レンズ配列１１に関しては、レンズを多数にすることが有利である。蛍光結像は、横方向に分布する検出部位２を光学センサー６上に正確に再現するために、正しい縮尺を有しなければならない。さらに球面収差、色収差、コマ収差、非点収差、特別の誤差または視野の湾曲のような結像誤差を考慮に入れなければならない。光学センサー６上に蛍光信号７を結像するので、蛍光結像は、好ましくは視野レンズ８の物体側のみにおいてテレセントリックな結像光学システムを用いて実行される。結像レンズ配列１１については、結像ユニット１５を形成するために光学センサー６と結合することも可能である。
【００７１】
本発明にしたがう光学機器１における同様に好ましい実施形態は、前記した配列における個々の検出部位２が平面支持体４上のスポットであり、これらのスポットに蛍光色素が塗布されている光学機器である。光学機器１における前記の好ましい実施形態の実施例は、平面配列における様々なスポットからの蛍光信号７を同時に結像するためのデバイスである。特定の実施形態では前記の配列がＤＮＡ配列であり、このＤＮＡ配列では、横方向に限定されたエリアが種々の配列を有するＤＮＡプローブによって官能化されている。この場合本発明にしたがう光学機器１は、たとえば相補的ＤＮＡ鎖を蛍光色素によって標識する場合に、核酸を含むサンプルとのハイブリダイゼーション事象をモニターすることが可能である。サンプル中のＤＮＡ分子を標識することに代えて、ハイブリダイゼーション事象を二本鎖核酸に結合している蛍光色素によって可視化することも可能である。
【００７２】
図１に示した実施例では前記のテレセントリック励起光学システムが、たとえば４５０ｎｍ〜６５０ｎｍの周波数で動作する一方、前記のテレセントリック結像光学システムが５００ｎｍ〜７４０ｎｍの周波数で動作する。この実施例では、光源５はキセノンランプであり光学センサー６として、１０２４×１３４４の画素を有する冷却２／３インチＣＣＤチップが機能している。光学機器１は、９６個のウェル（間隔９ｍｍ、直径５ｍｍ）および３８４個のウェル（間隔４．５ｍｍ、直径３ｍｍ）を使用することが可能となるように、８３ｍｍ×１１７ｍｍの面積を結像するように設計されている。特定の蛍光色素に対する励起および結像のために好適な波長はフィルターホイールによって調整されている。
【００７３】
この実施例ではテレセントリック励起光学システムは、光源側に０．３５の開口数を有している一方、マイクロタイタープレート側に０．０１４の開口数を有している。幾何学的な理由のために光源５がＣＣＤチップに対して垂直に配置されている一方、励起光ビーム９が追加のミラーを用いるによってマイクロタイタープレートの方向に向けられている。励起光ビーム９自体は、マイクロタイタープレートに対して２°の入射光を有している。また、物体視野（８８ｍｍ×１２２ｍｍ）の強度変化は１０%未満である。ビーム経路が１つだけではなく多数のビームを含んでいるために、この構成における「励起光ビーム９」は「照明の光軸」と同じ意味である。結像光学システムは、また物体側に０．０１４の絞り（diaphragm）を有しているとともに、物体と画像との間の距離（８００ｍｍ）に対応する、０．０７５の結像スケールを有している。この大きな距離については、２つのフォールディングミラーを用いて達成することが可能である。この結像光学システムは、±３ｍｍの焦点深度を有している。
【００７４】
図１にしたがう限定的な既知の機器１は、光源５の放射出力を利用して非常に非効率的に検出部位２の蛍光を励起している。これは本質的に、検出部位２における周囲のエリア（たとえば、マイクロタイタープレートにおける一体成形された熱伝達カバー）を照明しているからである。実際には、蛍光励起にとっては、検出部位２上に照射される光（たとえば、このためにマイクロタイタープレートの熱伝達カバーに設けられた孔を介して照射される）だけが有用なのである。このことについて、図２に基づいて説明する。
【００７５】
図２は、マイクロタイタープレートのウェルにおける上側部に配置されている、前記した熱伝達カバー１６を示している。これは、通常は不透明であり、各ウェルに応じた孔１７を有している。そして、この孔１７を介して、ウェル内の溶液が励起光９によって照明され、さらにこの孔１７を介して溶液から放射された蛍光信号７が検出される。
【００７６】
熱伝達カバー１６における孔どうしの間隔ｄは、たとえばＳＢＳマイクロタイター標準形式にしたがう９ｍｍである。孔の直径Ｄは５．２ｍｍであり、これはウェルにおける円筒形部分の直径（５．５ｍｍ）よりほんのわずかに小さく、かつ、孔どうしの間隔ｄに比べると著しく小さい。熱伝達カバー１６における不透明な部分によって遮断されることによって失われる光については、孔どうしの間隔ｄおよび孔の直径Ｄから後述するように計算することが可能である。
【００７７】
孔１７の面積ＡLは、以下のようになる。
【数４】
2010032513.tif 000006
【００７８】
熱伝達カバー１６内の各孔１７については、エッジの長さが正確に孔どうしの間隔ｄである四角形であって、間をあけずに周辺の四角形と互いに隣接している四角形に対して割りあてることが可能である。この四角形の面積ＡQは、以下のようになる。
【数５】
2010032513.tif 000007
【００７９】
照明に使用される励起光９の割合ηAは、ＡLのＡQに対する比率である。
【数６】
2010032513.tif 000008
【００８０】
したがってηAの値は純粋に幾何学的な比率によって決定され、「充填率（filling factor）」として解釈されることが可能である。この充填率および検出部位２の蛍光励起における効率は、本発明にしたがう対物レンズアレイによって改善される。
【００８１】
蛍光励起の効率に加えて、本発明はさらに蛍光検出も改善する。これは従来技術にしたがう光学機器１が光学センサー６に向かう蛍光信号７の放射フラックスを非効率的に利用しているからである。検出部位２において色素分子から放射される蛍光は、換言すれば空間的に等方的な方法で放射される。この光におけるわずかな部分だけが検出光学素子によって検出され、かつ、検出器６に向かう。図１に示した検出光学システムの開口数は、きわめて小さく、典型的にはＮＡ＝０．０１４である。検出光学素子の開口数ＮＡと、これらの光学素子によって検出される立体角ΩDとの間の関係は、以下のようになる。
【数７】
2010032513.tif 000009
【００８２】
蛍光放射によって照明される完全な立体角Ωtotは４πである。したがって光学センサー６を用いた測定のために使用される蛍光の部分ηDは、約０．０５％だけである。
【数８】
2010032513.tif 000010
【００８３】
本発明は蛍光励起の効率性だけでなく蛍光検出の効率性についても改善する。このことは、視野レンズ８と熱伝達カバー１６または複数の個々の検出部位２からなる配列との間に対物レンズアレイ１８を配置することによって達成される。
【００８４】
図３に、対物レンズアレイ１８の構成部品および位置が示されている。対物レンズアレイ１８は、視野レンズアレイ素子２０を備えた視野レンズアレイ１９および瞳レンズアレイ素子２２を備えた瞳レンズアレイ２１を有しており、視野レンズ８と複数の個々の検出部位２からなる配列との間のビーム経路に配置されている。したがって、この対物レンズアレイ１８については、アレイ対物レンズと称することも可能である。視野レンズアレイ１９は、視野レンズ８と向かい合っており、また、瞳レンズアレイ２１は、複数の個々の検出部位２と向かい合っている。視野レンズアレイ１９は、瞳レンズアレイ２１と平行に配置されている。このようにこの実施例では、光学機器１は、マイクロタイタープレートにおけるウェルの数に対応する、複数の光学チャネルを有している。そして、各光学チャネルは、専用の視野レンズアレイ素子２０および専用の瞳レンズアレイ素子２２を備えている。
【００８５】
物体面は従来技術にしたがう光学機器１の場合と同様に、好ましくはウェルと向かい合っている熱伝達カバー１６の下側部に配されている。この物体面は視野平面（field plane）を形成しており、それに接合しているこの視野平面が視野レンズアレイ素子２０内に、すなわち瞳レンズアレイ素子２２から見て外側を向いている視野レンズアレイ素子２０の表面上に位置している。視野レンズ８または視野レンズアレイ素子２０の視野平面と、熱伝達カバー１６の視野平面とは、本発明にしたがう対物レンズアレイ１８においても互いに接合されたままである。より正確に表現すれば、視野レンズ８は単独では視野平面を有していないけれども、視野レンズ８を含む検出光学システム（結像レンズ配列１１）が視野平面を有している。これらはともに、視野レンズアレイ１９における上側部の画像を光学センサー６上に形成するようになっており、視野レンズ８の単独によるわけではない。これは照明ブランチにも準用される。
【００８６】
図４は、視野レンズアレイ１９および瞳レンズアレイ２１を備えた、本発明にしたがう対物レンズアレイ１８を示している。この構成における好ましい実施形態では、視野レンズアレイ１９と瞳レンズアレイ２１との間に絞りアレイ２３が配置されている。視野レンズアレイ素子２０および瞳レンズアレイ素子２２を含む２レンズの対物レンズは、いずれの場合にも、マイクロタイタープレートの各ウェルまたは熱伝達カバー１６内の各孔１７に割りあてられている。これらの対物レンズは互いに同一である。このように視野アレイ光学配列１８では、いずれの場合にも視野レンズアレイ素子２０および瞳レンズアレイ素子２２から形成されているレンズ対が、いずれの場合にも検出部位２の１つに割りあてられている。
【００８７】
マイクロタイタープレートおよび熱伝達カバー１６は、従来技術に比して、視野レンズ８に対する元来の位置（約６０ｍｍ離れた位置）から取り除かれている。これは、これらの間に配置され、かつ、対物レンズアレイ１８における９６個の対物レンズの結像面（励起光９による照明に関する結像面）内に配置された、対物レンズアレイ１８のためである。従来技術における場合と同様に熱伝達カバー１６の下側部における元来の位置は、好ましくは、対物レンズアレイ１８における９６個の対物レンズの物体面（蛍光信号７の検出に関する物体面）として選択される。対物レンズアレイ１８におけるこれらの対物レンズは、一方において、照明の充填率を改善し、また他方において、これらは、検出の開口数を増大する。このことは、図５から図８に基づいて、以下のように説明される。
【００８８】
図５および図６は、９６チャネルの対物レンズアレイ１８における、１つのチャネルを示している。この対物レンズアレイ１８は、視野レンズアレイ素子２０、瞳レンズアレイ素子２２および、これら双方のレンズ間における瞳レンズアレイ素子２２に近い位置に配された、絞りアレイ２３の開口部を備えている。励起光９による蛍光励起のためのビーム経路が、図５に描かれている。図６は、蛍光信号７の蛍光検出のためのビーム経路を示している。いずれの場合にも、瞳レンズアレイ２１における１つの瞳レンズアレイ素子２２は、検出部位２の１つの上に（すなわち、熱伝達カバー１６内の孔１７における低い方のエッジ上に）、視野レンズアレイ１９における視野レンズアレイ素子２０（または、視野レンズアレイ素子２０のエッジ）の画像を形成している。検出部位２は、これらの図における下端部に配置され、そこに視野平面を形成している。熱伝達カバー１６における個々の関連する孔１７は、図５および図６には示されていないが、検出部位２上の視野平面から瞳レンズアレイ素子２２に向けて上方向に延びている。図５から図７に示すように、瞳レンズアレイ素子２２および視野レンズアレイ素子２０からなる配列は、照明（６）および検出（５）システムの絞りによって、絞りアレイ素子２３に対して光学的に接合している。
【００８９】
図示されていない視野レンズ８は、視野レンズアレイ素子２０の上部、すなわち、視野レンズアレイ素子２０における励起光９の入射側および視野レンズアレイ素子２０における蛍光信号７の出射側に配置されている。ここで、すなわち視野レンズアレイ素子２０の上部では、複数の主ビームが平行に走っており、さらにこれらのビーム束の軸も平行である。すなわち、この構成は、この領域においてはテレセントリックである。視野レンズアレイ１９の視野レンズアレイ素子２０は、励起光９に関する照明瞳および蛍光信号７に関する検出瞳を生成する。対物レンズアレイ１８は、視野（物体、画像）だけでなく、絞り（瞳）も結像する。複合的な光学システムを設計する際には、視野の結像だけでなく、瞳の結像についても考慮に入れるべきである。
【００９０】
入射側（図６の最上部）では、蛍光検出に関する光線の束の軸は、互いに平行であり、また、光軸に対しても平行である。蛍光励起に関する光線の束は、入射側（図５の最上部）において同様に互いに平行となっているものの、光軸に対しては蛍光検出とは対照的にわずかに傾いている。この傾きは、蛍光励起および蛍光検出に関する光線の束が視野平面（検出部位２における物体面）を突き抜けないように（図１０も参照されたい）選択されている。これは、励起光９と蛍光信号７との間の分離を実現するためである。
【００９１】
当然のことではあるが、蛍光励起が光軸に対して傾いている一方、蛍光検出が光軸に対してある角度をなして実施されるような、反対向きの配置を形成することも可能である。または、蛍光励起および蛍光検出を、光軸に対して異なる角度をもって実行することも可能である。蛍光励起および蛍光検出に関する入射側におけるビームの方向は、機器１の光学システムによって、あらかじめ決定されている。これらは、光学機器１内における照明ビーム経路および検出ビーム経路の、横方向に分離されている絞りによって形成されている。通常、検出の主ビームについては、これらが光軸に平行となるように選択することが有利である。対称性の破れると、通常、結像能力における障害を引き起こす。実際には、良好な結像能力は、照明に関する場合よりも検出に関する場合に、より必要とされる。
【００９２】
図７は、図５および図６の組み合わせたものにおいて、本発明にしたがう対物レンズアレイ１８のチャネルを介する部分を、絞りアレイ２３の絞りとともに示している。この絞りアレイ２３は、２つの分離されている絞り開口部２４、２５を備えており、その１つは励起光９による蛍光励起に関するものであり、もう１つは蛍光信号７の蛍光検出に関するものである。蛍光励起に関するビーム経路と、蛍光検出に関するビーム経路とが、一緒に示されている。この実施例では、視野レンズアレイ素子２０と瞳レンズアレイ素子２２との間の絞り２３は、２つの分離された絞り開口部２４、２５を、チャネルごとに有している。しかしながら、各チャネル対して、１つだけの絞り開口部を設けることも可能である（前記を参照されたい）。軸上にない絞り開口部２４（左）は、蛍光励起のために励起光９を通過させる。軸上の絞り開口部２５（右）は、蛍光検出のために蛍光信号７を通過させる。さらに絞り開口部２４も検出光を通過させる。これは蛍光光源が等方的に光を放射するためである。しかしながら、この光は遅くとも検出光学素子の絞りにおいて吸収される。検出部位２、すなわち熱伝達カバー１６内の孔１７は、瞳レンズアレイ素子２２によって、形式充足法によって（すなわち、形状およびサイズの点で正確に）、視野レンズアレイ素子２０の上側部に結像される。このようにこれら上側部と熱伝達カバー内の孔１７とは光学的に接合している。
【００９３】
熱伝達カバー１６における孔の直径Ｄに対する孔どうしの間隔ｄの比率は、好ましくは、９６個の対物レンズにおける結像スケールβに関して、以下のように選択される。
【数９】
2010032513.tif 000011
【００９４】
一般的に複数の検出部位２が直径Ｄを有しており、互いの間隔ｄをおいて配置されている場合には、瞳レンズアレイ素子２２の結像スケールβは直径Ｄに対する間隔ｄの比率に等しくなっていることが有利である。この場合、対物レンズアレイ１８における個々の２レンズの対物レンズのそれぞれは、熱伝達カバー１６における関連する孔１７の画像を形成し、この画像はサイズＤを有する。この場合、照明光学素子の視点からは、熱伝達カバー１６内の孔１７は、結像スケールβによって拡大されて見える。そして、複数の孔１７の画像間における複数の隙間は、これらの画像が接線方向において互いにぴったりと接しているように互いに縮んで見える。
【００９５】
図８は、対物レンズアレイ１８によって結像される物体としての、図２に示した熱伝達カバー１６の上面図を示している。また、図９は、対物レンズアレイ１８によって結像された後の、図２に示した熱伝達カバー１６の画像を示している。孔１７だけが拡大されて見える一方、これら間の間隔が同時に拡大されて見えない、という事実は、これが、対物レンズによる拡大結像ではなく、むしろ、光学アレイによる結像であることに起因する。このように対物レンズアレイ１８の光学アレイは、孔１７の拡大画像を生成するだけであって、これらの間の間隔ｄを変更しない。結像スケールβによって画像が拡大されているため、図９における孔の画像２６の面積ＡLBは、以下のようになる。
【数１０】
2010032513.tif 000012
【００９６】
利用されている励起光９の割合η'Aは、ＡQに対するＡLBの比率である。
【数１１】
2010032513.tif 000013
【００９７】
蛍光励起に関する対物レンズアレイ１８の利得係数（gain factor）ｇAは、ηAに対するη'Aの比率である。
【数１２】
2010032513.tif 000014
【００９８】
蛍光検出に関する対物レンズアレイ１８の利得係数ｇDは以下に示す検討から得られる。光学機器１における検出光学素子の物体面における開口数ＮＡは０．０１４である。この平面は対物レンズアレイ１８によって、９６個の分離されたチャネル内において熱伝達カバーの下側部上に結像される。この方向においては、対物レンズアレイ１８は縮小効果を有している。したがって熱伝達カバー１６の下側部上の開口数ＮＡ'は、結像スケールβに等しい係数によって光学機器１における検出光学素子の物体面内にある場合よりも大きくなっている。
【数１３】
2010032513.tif 000015
【００９９】
検出光学素子の対物レンズアレイ１８を用いて検出された立体角Ω'Dは以下のようになる。
【数１４】
2010032513.tif 000016
【０１００】
対物レンズアレイ１８によって利用されている蛍光の割合η'Dは以下のようになる。
【数１５】
2010032513.tif 000017
【０１０１】
蛍光検出に関する対物レンズアレイ１８の利得係数ｇＤは、ηDに対するη'Dの比率である。
【数１６】
2010032513.tif 000018
【０１０２】
対物レンズアレイ１８におけるトータルの利得係数ｇtotは、蛍光励起に関する利得係数ｇAと、蛍光検出に関する利得係数ｇDとの積である。
【数１７】
2010032513.tif 000019
【０１０３】
単純な変換を実行することによって、対物レンズアレイ１８の利得係数ｇtotを、以下のように表現することも可能であることがわかる。
【数１８】
2010032513.tif 000020
【０１０４】
このようにこれは幾何学的な数量だけに、すなわち熱伝達カバー１６における孔どうしの間隔ｄおよび孔の直径Ｄだけに依存している。
【０１０５】
この対物レンズアレイ１８は、充填率（パッキング密度）を増大する。この実施例においては、励起光９によるウェルの照明に関して、３倍に増大する。さらに、この対物レンズアレイ１８は開口数を増大する。この実施例においては、蛍光信号７の検出に関して√３倍に増大する。しかしながら利得は、開口数の２乗にほぼ比例する。この場合、これは結果的に検出において３倍の利得をもたらす。双方を重ね合わせることにより、光学機器１による蛍光測定の信号利得はこの実施例においては９倍となる。
【０１０６】
利得係数ｇtotを計算する際には、対物レンズアレイ１８の結像が口径食なく生じる、ということが黙示的に仮定されている。この場合、口径食から自由であることは、有用な光がビーム経路においてまったく遮断されることなく、光学機器１の照明および検出光学素子における全てのビームが対物レンズアレイ１８を通過しなければならない、ということを意味する。このことは当然ながら熱伝達カバー１６または絞りアレイ２３によって遮断される他の光（散乱光、干渉光）にもあてはまる。
【０１０７】
図１０は、光学機器１における照明および検出光学素子のビーム方向を、サイナスグリッド（sinus grid）において示している。このサイナスグリッドは、ビーム方向を、開口数として直接的に解釈すること可能とする。視野レンズアレイ１９の位置におけるビーム方向が示されている。熱伝達カバー１６（または検出部位２）の位置においては、これらのビーム方向は、さらに異なって見える。特に、この場合、これらは、視野依存性（または、位置依存性）を有している。光学機器１における照明および検出光学素子がテレセントリックであるために、図１０に示されているビーム方向は、収差の範囲内において視野依存性を有している。対物レンズアレイ１８における１つのチャネルに関しては、蛍光信号７に関する検出システムにおける全てのビーム方向が、軸上の曲線２７（図６）内にある。また、励起光９に関する照明システムにおける全てのビーム方向は、軸外の曲線２８（図５）内にある。これらの曲線２７、２８自体は、絞りのエッジによって規定される。破線の曲線は、対物レンズアレイ１８の全体における全てのチャネルの全てのビームに関する、光軸を中心とするエンベロープ２９を示している。このエンベロープ２９における個別の開口数は０．０５９である。
【０１０８】
双方の曲線２７、２８によって囲まれている領域は、接触も重複もしておらず、むしろ隙間を介している。この事実のために、励起光９を蛍光信号７から分離することが可能である。国際公開第９９／６０３８１号パンフレットによれば、これは従来技術の場合とは異なっている。なぜならば、従来技術では２つの対応する曲線２７、２８の領域が完全に重複しているからである。
【０１０９】
入射側における対物レンズアレイ１８の開口数がエンベロープ２９の開口数（この場合には０．０５９）よりも大きく、かつ、入射側における瞳の位置がテレセントリックである場合には、対物レンズアレイ１８は口径食なく動作する。対物レンズアレイ１８における入射側でのテレセントリック性は、対物レンズアレイ１８における前面レンズ（視野レンズアレイ素子２０）の焦点面の近傍に絞り（絞り２４、２５または絞りアレイ２３）を配置することによって実現される。ビームの開口数ＮＡと絞り面におけるビーム高さｈ（光軸に垂直な平面内における貫通ポイントにおいて測定された、光軸からの距離）と前面レンズ（視野レンズアレイ素子２０）の焦点距離との間の関係は以下のようになる。
【数１９】
2010032513.tif 000021
【０１１０】
絞り面における最大のビーム高さｈは、孔の間隔の半分ｄ／２よりも小さいことが必要である。これは、対物レンズアレイ１８の隣接チャネルにおける空間的な貫通を避けるためである。
【数２０】
2010032513.tif 000022
【０１１１】
これに応じて、前面レンズ（視野レンズアレイ素子２０）の焦点距離に関する要件は以下のようになるべきである。
【数２１】
2010032513.tif 000023
【０１１２】
いくつかの実施形態では、検出部位２に関して第１および第２の絞り開口部２４、２５の絞り画像が重複しない程度に、視野レンズアレイ素子２０の焦点距離が小さいことが、励起光９と蛍光信号７との分離を可能とするために好ましい可能性もある。さらに、いくつかの実施形態では、隣接するチャネル（隣接する検出部位２）における絞り画像が重複しない程度に、視野レンズアレイ素子２０の焦点距離が小さいことが、干渉光を抑制するために好ましい可能性もある。対物レンズアレイ１８の周期性のために、入射側において、右のエッジと左のエッジとにおける光線の束を一致させることが可能である。
【０１１３】
図１１は、直接的に隣接している右側のエッジの束と左側のエッジの束とを前面レンズ（視野レンズアレイ素子２０）がどのように分離するのか、および個別の絞りの方向において空間的に分離されている光線を、この前面レンズがどのように偏向するのか、について示している。これらの前面レンズ（視野レンズアレイ素子２０）は、光学機器１の照明および検出光学素子における視野平面内に、直接的に位置している。このためこれらは、きわめて一般的に視野レンズ（この場合には視野レンズアレイ素子２０）とみなされている。換言すれば、準視野レンズ（near-field lenses；すなわち、視野の近くにある（このため物体または画像の近くにある）もの）は視野レンズとみなされており、準瞳レンズは瞳レンズとみなされている。視野平面は照明されているか、または結像されている平面であり、すなわち物体、画像または中間画像である。瞳は、絞りまたは絞りの画像である。視野レンズは瞳の画像を形成し、瞳レンズは視野の画像を形成する。視野レンズアレイ１９は視野の近傍にあり、瞳レンズアレイ２１および絞りアレイ２３は瞳の近傍にある。
【０１１４】
複数の視野レンズアレイ素子２０は、対物レンズアレイ１８における全体的な屈折力に対して大きくは寄与していない。これはそれらの位置が視野に近く、それらの焦点距離が比較的に大きいことに起因する。すなわちこれらは、画像の位置およびサイズを変更しないか、または小さい範囲で変更するだけである。これらの中心的な機能は、より正確にいえば、光学チャネルを空間的に分離することにある。すなわちこれらは、ビーム経路に関する瞳を形成する。これにより瞳の位置が調整されるとともに、光線の角度が制限される。これらの視野レンズアレイ素子２０は、好ましくは、出射側（観察位置、検出部位２の側部）において、テレセントリック光学システム（上述のように、図１１の上部はテレセントリック、底部は非テレセントリック）を提供する。すなわち絞りの画像は、無限遠となる。瞳は、開口絞りの画像である。光学システムには、入射瞳と出射瞳とが存在する。これらの画像が無限遠である場合には、光学システムは入射側および出射側において、テレセントリックとして示される。視野レンズアレイ素子２０のそれぞれは、その絞り面において照明システムの絞りにおける軸外の画像および検出システムの絞りにおける軸上の画像を形成する。これらの画像はチャネルによって分離されている。
【０１１５】
対物レンズアレイ１８のレンズ対における全体的な屈折力は、ほとんどいずれの場合にも近いレンズ（瞳レンズアレイ素子２２）内に集中されている。これらが瞳の近傍に配置されているために、これらも非常に一般的に瞳レンズ（この場合には瞳レンズアレイ素子２２）とみなされる。瞳レンズアレイ素子２２は、視野レンズアレイ素子２０におけるエッジの画像を形成する。この画像は、熱伝達カバー１６の孔１７における低い方のエッジ上において形状に忠実である。このため熱伝達カバー１６内の孔１７は、視野絞りのアレイとして作用する。
【０１１６】
いずれの場合にも、絞りアレイ素子（絞り開口部、絞り）は、視野レンズアレイ素子２０の焦点絞り面内に配置されている。またこの絞りアレイ素子は、照明システムにおける絞りの画像および検出システムにおける絞りの画像をマスクする。これらの絞りアレイ素子の全体が、絞りアレイ２３を形成している。この意味における「マスキング」は、絞りアレイ２３が、マスクまたはスクリーンを形成すること（この場合、各絞りアレイ素子は１つ以上の絞り開口部を有している）、絞りアレイ２３が視野レンズアレイ素子２０および瞳レンズアレイ素子２３内に割りあてられていること、および絞りアレイ２３が個々の視野レンズアレイ素子２０および瞳レンズアレイ素子２３を介するビーム経路のためのマスク（すなわち、対物レンズアレイ１８の各「チャネル」のためのマスク）を形成することを意味している。このマスキングは、図２から図１２に示した実施例においては正確な形状を有している。すなわち、絞りアレイ素子における２つの開口部の形状は、励起レンズ配列１０および結像レンズ配列１１における絞りの画像の形状に一致している。他の実施形態では、絞りアレイ素子の形状を視野レンズアレイ素子２０および／または瞳レンズアレイ素子２３および／または検出部位２（熱伝達カバー１６内の孔１７）の形状に対しても一致させることが可能である。
【０１１７】
他の実施例では追加的に、このマスキングをサイズに忠実なものとすることも可能である。この場合、絞りアレイ素子のサイズは、たとえば励起光９における照明瞳のサイズ、および／または、蛍光信号７における検出瞳のサイズ、および／または、検出部位２（熱伝達カバー１６内の孔１７）の瞳のサイズと一致する。
【０１１８】
しかしながら、このマスキングについては形状に忠実なもの、および／または、サイズに忠実なものとする必要はない。たとえば絞り開口部（絞りアレイ素子）を円形にしないことも可能である。この場合たとえば、２つの絞り画像（照明システム（励起光９の照明瞳）における絞りの画像および検出システム（蛍光信号７の検出瞳）における絞りの画像を、たとえばチャネルごとに共通の外接矩形によってマスクすることも可能である。このことは、製作精度に対する要求水準を低減するとともにチャネルのクロストークを著しく損なうこともない。
【０１１９】
このように前記のような実施形態では、対物レンズアレイ１８は、励起光９の照明瞳および蛍光信号７の検出瞳のためのマスクを形成する、絞りアレイ２３を有している。この場合、図示されている実施例では絞りアレイ２３は、視野レンズアレイ１９と瞳レンズアレイ２１との間に配置されている。しかしながら絞りアレイ２３については、瞳レンズアレイ２１と複数の個々の検出部位２からなる配列（熱伝達カバー１６）との間に配置することも可能であり、この場合には瞳レンズアレイ２１の近傍に配置することが好ましい。
【０１２０】
図１２は、前記のような絞りアレイ２３における上面図の例を示している。この絞りアレイ２３では、絞りアレイ素子が絞り開口部２４、２５の対から形成されている。このように、図示されている絞りアレイ２３には９６対の絞り開口部２４、２５が備えられており、これらのそれぞれは９６個の検出部位２の１つに対して割りあてられている。これらの絞り開口部対は、いずれの場合にも絞り開口部対における第１の絞り開口部２４が検出部位２に関する励起光９を通過させるように、および絞り開口部対における第２の絞り開口部２５がこの検出部位２からの蛍光信号７を通過させるように構成されている。孔の間隔ｄおよび面積ＡＱに対応するエッジ長によって上述した四角形の範囲を定める仮想線の経路についても例示のために示されている。現実の絞りアレイ２３では、これらの線は通常示されていない。
【０１２１】
絞りアレイ２３における本質的な機能は、対物レンズアレイ１８の様々なチャネル間におけるクロストークを抑制することにある。このクロストークについては、対物レンズアレイ１８内および特に瞳レンズアレイ２１内における、内部的な反射光（有向の干渉光）または無向の拡散された散乱光によって生じる可能性もある。絞りアレイ２３内における孔２４、２５のトータルの面積は、外見上、絞りアレイ２３の全面積に比べてきわめて狭くなっている。このことにより、蛍光信号７が形成される部位（すなわち検出部位２）に対して実際にすでに非常に近づいている干渉光と有用な光とを（検出ビーム経路における早期のポイントにおいて）非常に効果的に分離することが可能となる。これは光学的な検出に関して非常に有利なことである。これらの面積の比率についても、同様に充填率として説明することが可能である。クロストークの抑制に関する絞りアレイ２３の有効性は充填率の減少にともなって増大する。
【０１２２】
本発明における本質的な特徴および有利なさらなる展開については、以下のように短く要約することが可能である。すなわち対物レンズアレイ１８は、視野レンズアレイ１９および瞳レンズアレイ２１を備えており、好ましくは追加的な絞りアレイ２３も備えている。視野レンズアレイ１９は照明瞳および検出瞳を生成し、これらはいずれの場合にも検出部位２の数に対応している（前記の実施例では、それぞれ９６個）。絞りアレイ２３は、これらの瞳（前記の実施例では、１９２個）をマスクすることによって、局所的なクロストークを防止する。瞳レンズアレイ２１は、検出部位２（マルチウェルプレート）上に視野レンズアレイ１９の画像を形成する。照明に関しては、対物レンズアレイ１８は検出部位２（ウェル）の充填率（パッキング密度）を増大する検出に関しては、対物レンズアレイ１８は開口数を増大する。前記の配置により名目上の信号利得（ここでは９倍）がもたらされる。
【０１２３】
視野レンズアレイ１９の視野レンズアレイ素子２０は、円形の境界線を有するように設計される必要はない。１つの好ましい実施形態では、視野レンズアレイ素子２０は矩形である。図１３は、熱伝達カバー１６の孔１７内における矩形の視野レンズアレイ素子２０の画像を示している。熱伝達カバー１６内における孔の間隔ｄ（前記の場合には９ｍｍ）に対応するエッジ長を有する矩形の境界線を用いることによって、全ての視野レンズアレイ素子２０をギャップなく互いに結合することが可能となる。なおギャップがないとは、すなわち光学的な結像のために使用されない視野レンズアレイ素子２０間の隙間がない、ということである。ここで図１３に示すように、熱伝達カバー１６の孔１７における低い方の円形のエッジ上に、すなわち複数の検出部位２における円形のエッジ上に、視野レンズアレイ素子２０における４つの角が結像されるように結像スケールβQを選択した場合、利用される励起光９の割合η'AQは以下のように与えられる。
【数２２】
2010032513.tif 000024
【０１２４】
外見上、視野レンズアレイ１９、絞りアレイ２３および熱伝達カバー１６のいずれの上にも遮断はない。
【０１２５】
蛍光励起のための矩形の視野レンズアレイ素子２０を有する対物レンズアレイ１８の利得係数ｇAQは、ηAに対するη'AQの比率である。
【数２３】
2010032513.tif 000025
【０１２６】
結像スケールβQは、矩形の視野レンズアレイ素子２０の対角線（√２・ｄ）における、熱伝達カバー１６内における孔１７の直径Ｄに対する比率によって与えられる。
【数２４】
2010032513.tif 000026
【０１２７】
矩形の視野レンズアレイ素子２０の場合、熱伝達カバー１６の部位における開口数ＮＡ'Qは以下のようになる。
【数２５】
2010032513.tif 000027
【０１２８】
対物レンズアレイ１８を活用して検出光学素子によって検出される立体角Ω'DQは、この場合以下のようになる。
【数２６】
2010032513.tif 000028
【０１２９】
したがって、対物レンズアレイ１８によって利用される蛍光の割合η'DQは以下のようになる。
【数２７】
2010032513.tif 000029
【０１３０】
対物レンズアレイ１８を利用した蛍光検出に関する利得係数ｇDQは、円形の視野レンズアレイの場合とは対照的に、もはやηDに対するη'DQの比率によって単純に与えられるものではない。それどころか光学センサー６上に結像されているものは、孔１７における全体的な円形のエリアではなく、むしろ外接四角形のみである、ということを考慮に入れる必要がある。この矩形の視野レンズアレイ素子２０は、対応する視野絞りとして作用する。したがって以下のようになる。
【数２８】
2010032513.tif 000030
【０１３１】
対物レンズアレイ１８におけるトータルの利得係数ｇtotQは、蛍光励起に関する利得係数ｇAQと、蛍光検出に関する利得係数ｇQDとの積である。
【数２９】
2010032513.tif 000031
【０１３２】
この値は、円形の視野レンズアレイ素子２０におけるトータルの利得係数ｇtotである９．０（前記を参照されたい）よりも大幅に大きい。すでに述べたように、円形の視野レンズアレイ素子２０のエッジ上に形状に忠実な方法で視野絞りが結像されるように、対物レンズアレイ１８が設計されている場合には、熱伝達カバー１６の孔１７における低い方の円形のエッジは視野絞りのアレイとして作用する。
【０１３３】
このように矩形の視野レンズアレイ素子２０の場合には、熱伝達カバー１６における視野絞りの効果はあてはまらない。このことは図１３における円と四角形との間において放射される光が、隣接する４つの視野レンズアレイ素子２０に作用する、ということに相当する。しかしながらこれらの視野レンズアレイ素子２０は、この光を光学センサー６に転送することはできない。隣接するチャネルの視点からは、この光は対物レンズアレイ１８における不適切な開口絞りから生じるものである。この不適切な開口絞りは、隣接するチャネルの開口絞りに比べて、はるかに中心から外れている。このように隣接する視野レンズアレイ素子２０に作用する光線は、これらが検出光学素子によって直接に検出される可能性がない程度の大きな開口角を有している。
【０１３４】
直接的に検出されることのない前記の蛍光は、多重反射の結果として、または検出光学素子における散乱によって、せいぜい光学センサー６にあたるだけである。信号における前記の部分は、原則的には有害となるはずである。なぜならば、この部分は非常に高い可能性をもって誤ったチャネルに割りあてられるはずだからである。しかしながら、実用評価においてコンピュータによる強度の非シーケンシャルなレイトレーシングを使用すると、散乱光における前記の部分は定量化された場合には、実際上ほとんど重要ではなく無視できるものであることが判明した。
【０１３５】
視野レンズアレイ素子２０のエッジを熱伝達カバー１６内における孔１７の境界線上に結像することは、利得係数に関するボーダーラインケースである。視野レンズアレイ素子２０における４つの角は、熱伝達カバー１６の孔１７における低い方の円形のエッジ上（またはこのエッジの内部）に、すなわち複数の検出部位２における円形のエッジ上に結像される。結像スケールβQが以下のように選択された場合、トータルの利得係数ｇtot,Qは一定となる。
【数３０】
2010032513.tif 000032
【０１３６】
四角形における利用可能な面積は減少するが、これに関連する損失は、開口数の増加によって正確に補償される。反対のケースでは利得係数は減少する。なぜならば、一方において開口数は減少するけれども、四角形の面積は同じようには増加しないからである。この場合後者は、熱伝達カバー１６内の孔１７によって囲まれている。
【０１３７】
図１４は、矩形の境界線を有する視野レンズアレイ素子２０を備えた、前記のような対物レンズアレイ１８を「上側」の視点から、すなわち励起光９の側から示している。また図１５は、図１４に示した対物レンズアレイ１８を「下側」の視点から、すなわち蛍光信号７の側から示している。この構成では、絞りアレイ素子（絞りアレイ２３内の絞り開口部）が長方形の形状を有するように、および、いずれの場合にも、瞳レンズアレイ素子２２のチャネルごとに（すなわち、視野レンズアレイ素子２０および関連する瞳レンズアレイ素子２２ごとに）１つの絞り開口部だけが存在するように、すなわちチャネルにおける励起光９および蛍光信号７の双方のための、１つの共通する絞り開口部が存在するように絞りアレイ素子が設計されている。
【０１３８】
本発明にしたがう光学機器１については、この出願においては参照されていないけれども、従来技術、特に欧州特許第１６８１５５５号明細書または欧州特許第１６８１５５６号明細書にしたがう特徴点によって、さらに粉飾することも可能である。これらに開示されている内容は明白に組み込まれている。特に以下に示す有利な特徴点については、好ましい実施形態において実現することが可能である。
【０１３９】
ａ）視野レンズ８は、複数の個々の検出部位２からなる配列の平面支持体４に対する入射角α（０°より大きい）を有する、励起光９を生成するように構成されている。より正確に表現すると、αは、照明および検出システムにおける軸間の角度である。２つの軸の一方は、ミラーまたはビームスプリッター１４によって曲げられている。
【０１４０】
ｂ）光学機器１は、少なくとも１つの励起周波数に関して透明性を有する一方、蛍光信号７の周波数に関して反射性を有するミラーまたはビームスプリッター１４を、または少なくとも１つの励起周波数に関して反射性を有する一方、蛍光信号７の周波数に関して透明性を有するビームスプリッター１４を備えている。
【０１４１】
ｃ）励起光９の入射角αは、２０°よりも小さく、好ましくは１０°よりも小さく、最も好ましくは５°よりも小さい。
【０１４２】
ｄ）この入射角αは、以下のように示される。
【数３１】
2010032513.tif 000033
ここでθ1は励起光学素子の開口半角であり、θ2は結像光学素子の開口半角である。
【０１４３】
ｅ）結像レンズ配列１１は光学センサーに結合しており、結像ユニット１５を形成している。
【０１４４】
ｆ）光学機器１は、１つ、２つ、またはそれより多くのフォールディングミラーを有する、光ビームフォールディングユニットを備えている。この構成ではフォールディングユニットは、光源５からの光および複数の個々の検出部位２からなる配列からの蛍光信号７を折り返すように構成されている。
【０１４５】
ｇ）前記の配列における個々の検出部位２がウェルに相当し、励起光９がウェルの側壁に平行でウェルに充填される溶液が蛍光色素を含んでいる。
【０１４６】
ｈ）前記の配列における個々の検出部位２がウェルに相当し、励起光９がウェルの側壁に関して２０°より小さい角度を有しており、ウェルに充填される溶液が蛍光色素を含んでいる。
【０１４７】
ｉ）前記の配列における個々の検出部位２が平面支持体４上の部位であり、これらの部位に対して蛍光色素が塗布されている。
【符号の説明】
【０１４８】
１  光学機器
２  検出部位
３  保持デバイス
４  平面支持体
５  光源
６  光学センサー
７  蛍光信号
８  視野レンズ
９  励起光
１０  励起レンズ配列
１１  結像レンズ配列
１２  励起フィルターシステム
１３  結像フィルターシステム
１４  ビームスプリッター
１５  結像ユニット
１６  熱伝達カバー
１７  孔
１８  対物レンズアレイ
１９  視野レンズアレイ
２０  視野レンズアレイ素子
２１  瞳レンズアレイ
２２  瞳レンズアレイ素子
２３  絞りアレイ
２４  ２３における第１の絞り開口部
２５  ２３における第２の絞り開口部
２６  孔の画像
２７  軸上の曲線
２８  軸外の曲線
２９  エンベロープ
α  入射角
θ  開口角
ＡL  孔（物体）の面積
ＡLB  孔（画像）の面積
ＡQ  四角形の面積
ｄ  孔どうしの間隔
Ｄ  孔の直径
ｈ  光線の高さ
ＮＡ  開口数
【図１】
2010032513.tif 000034
【図２】
2010032513.tif 000035
【図８】
2010032513.tif 000036
【図９】
2010032513.tif 000037
【図１３】
2010032513.tif 000038
【図３】
2010032513.tif 000039
【図４】
2010032513.tif 000040
【図５】
2010032513.tif 000041
【図６】
2010032513.tif 000042
【図７】
2010032513.tif 000043
【図１０】
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【図１１】
2010032513.tif 000045
【図１２】
2010032513.tif 000046
【図１４】
2010032513.tif 000047
【図１５】
2010032513.tif 000048
【外国語明細書】
2010032513000001.pdf
2010032513000002.pdf
2010032513000003.pdf
2010032513000004.pdf