(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
像面におけるサンプルを走査する方法であって、
ａ）第１のスペクトル特性を有する視準された照射光ビームを走査ヘッドに向けるステップと、
ｂ）前記照射光を、前記走査ヘッド上に配置されるリフレクタを用いて、サンプル関し一定の角度で反射させるステップと、
ｃ）反射された照射光を、前記走査ヘッド上のレンズを用いて、前記サンプル上に焦点を合せるステップと、
ｄ）第２のスペクトル特性を有する光を、前記サンプルから、前記走査ヘッド上の前記レンズを用いて集光するステップと、
ｅ）前記集光された光を、前記走査ヘッド上に配置される前記リフレクタにより、検出器に向けるステップと、
ｆ）前記走査ヘッドをガイドの長手方向に沿って高速に往復摺動させることにより、前記視準照明光ビームの走査線を像面において発生させるステップとを含む、方法。
【請求項２】
ステップｆ）は走査ヘッドを３〜２５Ｈｚの走査速度で往復摺動させることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
ステップｆ）は、リニアアクチュエータを用いることにより走査ヘッドを高速で往復摺動させることを達成することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記リニアアクチュエータは開ループモードにおいて動作する、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記リニアアクチュエータは閉ループモードにおいて動作する、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記視準照明光ビームの走査を生じさせるステップは視準照明光ビームを像面に直交する方向で走査におけるすべての点において衝突させることにより実行される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
サンプルを、像面において、走査線の方向に直交する方向に並進運動させ、したがって、照射ビームの連続的な走査が像面において二次元を順次覆うようにすることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
第１のスペクトル特性を有する光を、第２のスペクトル特性を有する光から、走査中に分離することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光学式スキャナを用いて、像面におけるサンプルを走査する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
蛍光スキャナは一般に、励起波長の光ビームによる誘導によって１次元的または２次元的にサンプルを走査する。したがって、結果として生じる誘導蛍光発光が検出されるが、これは典型的には異なった波長または波長帯で生じる。１つのタイプのスキャナは、連続直線走査がサンプルの２次元区域を順次覆うように、励起ビームが１つの軸に沿って移動し、機械式の台が直交する軸に沿って移動することを必要とする。代わりに、台が固定した位置にあり、レーザビームが２つの軸に沿って走査されてもよい。また、サンプルがＸ−Ｙ台上で並進運動され、顕微鏡または同様の固定した光学ビューワで観察されてもよい。
【０００３】
ほとんどの蛍光スキャナにおいて走査を行なう光ビームの運動は、一般に検流計スキャナおよび回転多面体鏡によって達成される。これらの装置は、プレーナＤＮＡシーケンシングゲルからの蛍光発光を検出するために必要であるような広角走査に最も適している。
【０００４】
あるアプリケーションでは、走査される標本のあらゆる点で、一定の角度から蛍光発光を誘導することが重要である。上の走査システムをこのような状況に適合させるのに固有の難点がある。なぜなら、走査ビームはある回転運動を有しており、蛍光撮像の歪曲が標本のさまざまな位置で起こり得るからである。収差は、上の走査機構の１つとともに走査角度および速度を補正し、入射ビームで平坦な標本を走査するｆθレンズを通して最小にされ得る。しかしながら、このようなレンズは極めて高価である。また、これら走査機構の中にも価格が非常に高いものがある。
【０００５】
広範な走査形式が調査および診断のための多くのアプリケーションに必要である。特に、小さいチップ上の核酸サンプルの走査と毛細管内の電気泳動の走査とのような、より小さい実験形式が現れている。既存の蛍光スキャナの有効走査区域を小型化することは、光学アセンブリの複雑かつ高価な改造を必要とするので実行可能ではない。
【０００６】
多くのサンプルを短期間に走査するために、解像度を損なわずに走査速度を速めることも望ましい。既存のスキャナが走査速度および解像度に関して制限されているのは、構成要素が多数であり、光学アセンブリが高質量であるためであり、また、特定の走査角度およびサンプルサイズに最適化されるからである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、この発明の目的は、小型のサンプルを一定の角度から急速に走査するために、単純な、軽量の、かつ低コストな設計で、多目的に使用可能な蛍光スキャナを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上の目的は、リフレクタおよびレンズの単一の組合せのみを含んだ軽量走査ヘッドが急速に線形運動する高速蛍光スキャナで達成されている。励起ビームは視準され、一定の角度から走査ヘッドに方向づけられ、走査ヘッドの運動はサンプルまたは目標に均一な角度の照明を維持する。走査ヘッドを移動する効果は、励起ビーム経路の領域を継続的に長く
、かつ短くして、像面に走査線を作ることである。
励起ビームの走査線に沿う、像面内に置かれたサンプルからの蛍光発光は、走査ヘッドのレンズによって集められ、一般に励起ビームの光路に沿って、逆向きに検出器へと方向づけられ得る。走査ヘッドが低質量であるために高速走査がもたらされる。走査ヘッドは、秒速約１００インチまでで動作可能なリニアアクチュエータによって駆動される。
【０００９】
サンプルは、台の並進運動または電気泳動によるように、２次元走査用の走査線を通過して直交する方向に移動され得る。この発明の蛍光スキャナは、さまざまな大きさのレンズおよびリフレクタを取り替え、対応する機械上の調節を行なうことによって、広範な大きさおよび形式のサンプルを走査し、蛍光撮像するように適合され得る。
【００１０】
この発明の別の実施例は、小型の光源を直接走査ヘッドに置く。走査ヘッドは光源およびレンズを含む。これはまた、励起ビームと蛍光発光とを分離し、かつ走査ヘッドから離れて検出器の方へと蛍光発光を方向づけるためのダイクロイックビームスプリッタまたは他の手段を含んでもよい。この代替的な実施例では、走査ヘッドから離れた、固定したリフレクタがあってもよく、蛍光発光を受け、かつそれを検出器へと偏向させるように位置決めされる。この例のリニアアクチュエータによって走査ヘッドを往復運動させると、蛍光発光経路の領域が走査ヘッドおよびリフレクタの間で継続的に長くなったり、短くなったりする。
【００１１】
用語「リフレクタ」はミラーおよびペンタプリズムを含んで用いられる。「レンズ」という用語は単レンズまたは多要素レンズを示すために用いられる。
【００１２】
従来の蛍光スキャナに勝るこの発明の利点は、高価な補正光学素子に頼らずに、サンプルを一定の角度で急速に誘導することである。言い換えると、走査ヘッドおよびサンプルの相対的な位置が維持される。
【００１３】
別の利点は、走査ヘッドと、励起ビームおよび蛍光発光によってとられる光路との簡単な、軽量の設計であり、このために、急速な走査運動がもたらされ、多くのアプリケーションへの適合が容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１を参照すると、低質量走査ヘッド２２がリフレクタ１３およびレンズ１２を含んで示される。用語「リフレクタ」はミラーおよびペンタプリズムを含んで用いられる。「レンズ」という用語は単一または多要素レンズを示すために用いられる。リフレクタ１３およびレンズ１２の両方は、所望の光学走査角度に従って走査ヘッド２２内の所与の平面配向に固定される。セントレーションを達成するために、レンズ１２は所与の平面配向内で調節され得る。走査ヘッド２２は、ガイド２７に摺動可能に取付けられた軸受２１に取付けられ得る。図１では、ガイド２７は、走査ヘッド２２がその中を方向２０に移動するＵ字形のチャネルとして示される。リニアアクチュエータ２３は好ましい実施例ではガイド２７の一方端に位置決めされ、シャフト３５を介して走査ヘッド２２と通じ、走査ヘッド２２をガイド２７に沿って方向２０へ往復運動させる。このために、リフレクタ１３およびレンズ１２の全体の位置がシフトし、走査が像面１０上の１次元で行なわれる。止め具３７は、リニアアクチュエータ２３とは反対側の、ガイド２７の端部に位置決めされ、単に軸受２１をガイド２７に維持するように機能する。ガイド２７は向かい合う端部の一方または両方で機械的に支持され得る。図示された機械アセンブリは、走査ヘッド２２を線形的に往復運動させる手段の一例である。急速な線形往復運動のための他の手段は、走査ヘッド２２が装着される可動部材を有した延びアームなどとして代用され得る。
【００１５】
図２を参照すると、光路の一実施例の全体図が示される。この発明の蛍光スキャナは一
般に、固定領域２４と走査ヘッド２２によって規定される可動領域とを有する。好ましい実施例に従うと、固定領域２４内で、レーザ１１は励起波長でビーム３０を放射する。励起ビーム３０は視準され、ビーム拡大器１４を通過することによって任意に拡大される。視準された白色光源もまた、励起のために用いられ得る。ダイクロイックビームスプリッタのようなスペクトル分散装置１６が励起ビーム３０の経路内に置かれる。励起ビーム３０はスペクトル分散装置１６から変化し、次に、好ましい実施例では入射励起ビーム３０に対して約４５°の角度で方向づけられているリフレクタ１５に衝突する。次に、励起ビーム３０は直角方向に偏向され、図２の固定した領域２４から離れ、リフレクタ１３に衝突することによって走査ヘッド２２に入る。リフレクタ１３もまた入射励起ビーム３０に対して好ましくは約４５°の角度で置かれている。次に、励起ビーム３０はリフレクタ１３によって直角方向に偏向される。一般に励起ビーム３０よりも１ないし２０倍大きい有効口径を有するレンズ１２は、励起ビーム３０を受け、それを像面１０上に焦点合わせするように、その軸が像面１０に直交する状態で位置決めされる。
【００１６】
励起ビーム３０は、像面１０内に置かれたサンプルまたは目標からの蛍光発光を誘導する。
【００１７】
図１および図２に図示されるような、方向２０への走査ヘッド２２の運動のために、視準されたビーム経路の領域がリフレクタ１５および１３の間で継続的に長く、かつ短くなり、結果的に、像面１０におけるビーム３０の光学特性への変化を最小にしながら、像面１０の１つの軸に沿った走査がもたらされる。結果として生じる蛍光走査は、ビーム特性を維持するという点で光ディスクの読取ヘッドによる走査に似ている。走査ヘッド２２の運動は、長さ数メートルような長い経路にわたってもよく、または、１センチメートル未満のような短い経路にわたって行なわれてもよい。
【００１８】
図３Ａ−Ｂは走査線の形成をより明らかに図示する。リニアアクチュエータ２３と関連して走査ヘッド２２が方向２０ａへ移動することによって、励起ビーム３０の経路がリフレクタ１５および１３の間で長くなると、リフレクタ１３およびレンズ１２の組合せは方向２０ａに移動して、図３Ａに示されるような走査線２５を形成する。同様に、励起ビーム３０の経路が方向２０ｂへの走査ヘッド２２の移動によって短くなると、走査線２６が形成される。走査線２６は走査線２５上に重ねられ得る。しかしながら、像面１０内のサンプルが矢印２９によって示されるような、走査線２５に直交する方向にシフトすれば、走査線２６は図３Ｂに図示されるように走査線２５に平行になるであろう。サンプルを方向２９へ継続的に少しずつシフトすると、連続した走査線が形成され、結果的に、像面１０におけるサンプルが２次元的に蛍光誘導される。
【００１９】
方向２９のサンプルの移動が達成されるのは、サンプルを像面１０内に置くための台を設け、次に、モータまたは別のタイプのリニアアクチュエータに結合された親ねじなどで台を並進運動させることによってである。代わりに、電気泳動または他の手段によって、サンプルが像面１０において、走査線と交差して並進運動されてもよい。図４は、電気泳動による、１次元でのサンプルの移動の例を与える。
【００２０】
サンプルのさまざまな構成要素３２ａ−ｄは、電界を印加することによってレーン２８内のマトリックス３４を介して方向３１に駆動される。走査線２５は、サンプルの移動の方向３１に直交する方向２０の走査を表わす。走査線と交差して、サンプル構成要素を電気泳動によって継続的に移動すると、全体のサンプルの蛍光検出がある期間にわたってもたらされる。簡略化するために、図４は数個の広い間隔のサンプル帯のみで図示されている。しかしながら、この発明は、多数の狭い間隔のサンプル帯の蛍光走査とサンプルの多数のレーンとに同様に適用可能である。
【００２１】
図２に戻ると、像面１０内に置かれ、この発明に従って走査されたサンプルによる蛍光発光が、好ましい実施例では、高い開口数を有し、かつ広い角度で蛍光を集めるレンズ１２によって集められる。用語「高い開口数」とは、レンズが、その焦点距離と比較して、集束光に対して広い直径を有することを意味する。この集束光は入射ビームによってはわずかにしか用いられないものである。集められた蛍光は、励起ビーム３０の経路を実質的に引返す経路に沿って方向づけられる。蛍光発光３３はリフレクタ１３に渡り、次にリフレクタ１５に渡る。次に、これはスペクトル分散装置１６に方向づけられる。この装置は励起ビーム３０および蛍光発光３３の両方の経路に位置決めされ、それらの独自のスペクトル特性によって励起と蛍光発光とを分離するように動作する。蛍光発光３３はスペクトル分散装置１６によって分離された後に、レンズ１７を通過し、次に空間フィルタ１８の開口４４内に焦点合わせされ、光電子増倍管または光電池のような感光性検出器１９によって検出される。空間フィルタ１８を使用するのは任意であり、走査されるサンプルのタイプと、このようなサンプルに必要な蛍光検出の特定のパラメータとに依存する。
【００２２】
実例として、この発明のための光源は半導体またはガスレーザ、レーザダイオードを含んでもよく、パルス化されさえしてもよい。発光ダイオードも用いられ得る。図５は、レーザダイオード、ＬＥＤ、ハロゲンランプ、またはキセノンランプのような小型の光源を用いた、この発明の代替的な実施例を示す。光源が小型であり、したがって低質量であるならば、走査ヘッドから離れた、固定した位置にある代わりに、走査ヘッドに直接装着されてもよい。レーザダイオード４３が、第２の実施例に適切な光源の一例として図５に示される。レーザダイオード４３によって放射される励起ビーム４１は、この例では視準される必要はない。
【００２３】
励起ビーム４１は、ダイクロイックビームスプリッタのようなスペクトル分散装置４０を通過し、次にレンズ１２を通過する。レンズ１２は励起ビーム４１を像面上に焦点合わせして、蛍光発光を誘導する。結果として生じる発光は一般に、レンズ１２の広い焦束角を通して集められてから視準される。次に、好ましくは蛍光発光３３と励起ビーム４１とを分離するスペクトル分散装置４０によって、蛍光発光３３が走査ヘッド２２から外へ方向づけられる。リフレクタ１５は蛍光発光３３の経路に好ましくは４５°の角度で置かれ、この発明の第１の実施例と同様に、検出のために蛍光発光３３をレンズ１７へ偏向させるのに役立つ。第１の実施例と同様に、リニアアクチュエータ２３による走査ヘッド２２の往復運動のために走査が１つの軸に沿って行なわれ、サンプルは別の軸に沿って並進運動され得る。こうして、蛍光発光３３は走査ヘッドの移動軸に沿って伝達される。
【００２４】
光学アセンブリ内で、ビームスポットサイズおよび形状を特定のビーム拡大器およびレンズを用いることによって変えることができる。励起ビームの焦点深度は、ビームスポットサイズとレンズ１２の焦点特性とに依存する。この発明では、走査は共焦点または非共焦点形式で起こり得る。
【００２５】
さらに、励起ビームによってとられたのと実質的に同じ光路に沿って蛍光発光が引返すことを必要とせずに、蛍光検出が生じてもよい。
【００２６】
像面に平行および直角のビーム経路を簡略化のために例示したが、光学構成要素および像面の位置はアプリケーションに依存して変えられ得る。たとえば、励起ビーム３０がリフレクタ１３に衝突する方向と走査ヘッド２２内のリフレクタ１３およびレンズ１２の配向とを変えてもよい。像面１０は、走査ヘッド２２の線形運動の方向にもはや平行ではないように、または直角方向以外からあらゆる走査点で励起ビーム３０を受けるようにシフトされてもよい。リフレクタ１３が一定の角度で励起ビーム３０を受けており、走査ヘッド構成要素が像面に配置されたサンプルに衝突するように配向されている限り、ある方向への走査ヘッドの線形往復運動によりサンプルが走査される。
【００２７】
この発明の蛍光スキャナにおける構成要素の全体の位置も変えられ得る。たとえば、サンプルは垂直の像面に装着され、固定領域２４は水平の光学ベースプレートに沿って位置決めされ、図１に図示された往復運動機構は固定ブラケットによってベースプレート上に装着されてもよい。この結果、リニアアクチュエータ２３が走査ヘッド２２を垂直に移動させる。これは、垂直電気泳動ゲルのようなサンプルを走査するために好ましい配置である。
【００２８】
この発明に従うと、走査ヘッド２２は継続的に往復運動でき、レーザスキャナが動作して蛍光発光を簡単に検出できる。たとえば、走査ヘッド２２は加速し、ガイド２７に沿った既知の位置で最適走査速度に達する。図１では、ガイド２７上に位置決めされたセンサ３８と走査ヘッド２２に取付けられたフラグ３９とがともに動作して、最適走査速度の既知のホームポジションを示す。次に、蛍光の誘導および読取がある期間走査線の長さに沿って起こり、その後走査ヘッドは減速し、走査されるべき新しいサンプルまたは線が、サンプルを図３Ｂの方向２９へシフトすることなどによって、像面１０内の励起ビーム３０の走査線内に置かれ得る。連続的な、狭い間隔の走査が像面１０における２次元を順次覆う。代わりに、たとえばレーザスキャナがイメージ処理手段と通じてもよく、それによって走査機構は、ビームスポットサイズに近い画素内の蛍光強度を判断することによるような、位置を特定する態様でサンプルから蛍光情報を集める。次に、たとえば蛍光位置の表示を形成するために、この情報が操作され得る。継続的な、発振する、または段階的な態様での、走査ヘッド２２の往復運動が予期される。
【００２９】
この発明の走査ヘッド２２およびリニアアクチュエータ２３は一般に開ループモードで動作して、イメージ処理のためのデータを獲得する。たとえば、リニアアクチュエータ２３にコマンドモジュールが取付けられてもよく、図３Ａの方向２０ａのようなある方向に走査ヘッド２２を特定のスポット位置すなわちアドレスまで送り出し、次に走査ヘッド２２を停止し、これを図３Ｂの方向２０ｂに送り返す。閉ループモードもまた必要とされる正確さに依存して用いられ得る。リニアアクチュエータは、カンチレバーで支えられるか、または一方端のみから他の方法で支えられるのではなく、ヘッドが両端で支えられ得るということを別にすれば、光ディスクの読取ヘッドに用いられるタイプであってもよい。単一のスポットへのシーク時間は好ましくは５００ミリ秒未満であり、より好ましくは５０ミリ秒未満である。
【００３０】
この発明の単純な軽量設計および速い走査速度が、先行技術に勝る著しい利点である。走査ヘッド２２は、走査しながら移動する、光学アセンブリの唯一の部分である。光ビーム源、検出器、ならびにさまざまなフィルタ、レンズ、およびリフレクタは走査ヘッド２２から離れた、固定した位置にある。走査ヘッド２２の重さは好ましくは５００グラム未満である。小型レンズ１２および小型リフレクタ１３の使用がさらに軽量の一因となり、したがって急速な走査速度に繋がる。リニアアクチュエータ２３は３ないし２５Ｈｚの範囲で動作し、現行のリニアアクチュエータで秒速約１００インチの走査速度を与えるように設計される。この発明に適切なリニアアクチュエータの例はモータに接続されて、好ましくは矢印２０によって表わされる軸に走査ヘッド２２を往復運動させる音声コイル、カム、ベルト、クランク、または、親ねじを含む。このリニアアクチュエータは、速度と正確さとビーム特性の維持との点で、光ディスクの読取ヘッドに用いられているものと好ましくは類似している。
【００３１】
この発明のオン軸構成もまた、像面１０におけるサンプルのあらゆる点について同じ角度で、励起光がサンプルに衝突することを確実にするという利点を有する。これは、検流計スキャナ、多面体鏡、またはラスターシステムの場合にはあてはまらない。この構成はあまり高価ではないレンズを用い、ピンクッション歪曲、像面湾曲、および回折限界レン
ズに関連した収差を除去する。
【００３２】
この発明の装置は、高解像度急速走査が必要であるゲル、スライド、ディッシュ、毛細管、マイクロタイタープレート、キュベット、または他の形式内のサンプルの蛍光を検出するために用いられ得る。特に高速マイクロスキャナが説明されているが、この発明はより大きなサンプル上で動作するように構成できる。この発明の光学的な構成があり、さまざまな構成要素の大きさおよび速度に合うようにわずかな改造が加えられると、広範な形式のサンプルの蛍光走査が可能である。
【００３３】
この発明に簡単な改造を行なうことによって、Ｚ方向、またはサンプルを通る深さ方向の蛍光検出ももたらされ得る。これが達成され得るのは、たとえば像面１０に平行な平面にサンプル台をシフトすることによって、または走査ヘッド２２の運動またはその範囲内の移動を加えて、サンプルを通るビームスポットを上昇させるか、または低下させることによってである。
【００３４】
この発明における光路のさまざまな部分に沿って、励起ビームまたは蛍光発光を伝達するための光ファイバもまた用いられ得る。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】この発明に従った、支持部材を伴う走査ヘッドと、光学アセンブリの一部とを示す図である。
【図２】光学アセンブリの細部を含んだ、この発明の蛍光スキャナの平面図を示す。
【図３Ａ】この発明の蛍光スキャナの一部の斜視図であって、走査線および２次元蛍光誘導の一態様を示す図である。
【図３Ｂ】この発明の蛍光スキャナの一部の斜視図であって、走査線および２次元蛍光誘導の他の態様を示す図である。
【図４】この発明の蛍光スキャナの一部の斜視図であって、電気泳動による、１次元での並進運動を図示する図を示す。
【図５】この発明の代替的な実施例を示す図であり、走査ヘッドおよび光学アセンブリの細部を含む。
【図１】
0003715307.tif 000002
【図２】
0003715307.tif 000003
【図３Ａ】
0003715307.tif 000004
【図３Ｂ】
0003715307.tif 000005
【図４】
0003715307.tif 000006
【図５】
0003715307.tif 000007