(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
分離用流路が形成されたチップデバイスと、
表面上に前記チップデバイスを保持するとともに、該チップデバイスの温度を調節するための温調機構を備えたチップデバイス保持台と、
前記チップデバイス保持台に保持されたチップデバイス上を覆い、測定用の光が透過する開口を有する泳動チャンバー蓋と、
前記泳動チャンバー蓋の上部に配置され、前記チップデバイス保持台に保持されたチップデバイスの検出領域からの光を前記開口を介してスリットの穴に結像する第１の光学系、及び、少なくとも反射型回折格子を備えて前記スリットの穴からの光を分光し、検出素子に結像する第２の光学系を備えた蛍光検出装置と、
を備えたことを特徴とする電気泳動装置。
【請求項２】
前記反射型回折格子として反射型凹面格子を備え、前記第２の光学系は前記反射型凹面格子のみによって構成されている請求項１に記載の電気泳動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、検出領域の蛍光を検出する蛍光検出装置を備え、例えば、極微量のタンパクや核酸、薬物などを高速かつ高分解能に分析する電気泳動装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
極微量のタンパク質や核酸などを分析する場合には、従来から電気泳動装置が用いられている。電気泳動装置としては、内径が１００μｍ以下のガラスキャピラリーを用いるものや、基板内に幅寸法１００μｍ程度、深さ５０μｍ程度の溝を形成したチップデバイスを用いるものがある。電気泳動装置での検出は、サンプルを予め蛍光標識しておき、蛍光光度法を用いるのが一般的である。
【０００３】
図３はチップデバイスを用いた電気泳動装置に適用された従来の蛍光検出装置を示す斜視図である。
チップデバイス１には複数の分析流路４３が形成されており、それらの分析流路４３の所定位置に複数の分析流路４３にまたがる帯状の検出領域２９が設けられている。
チップデバイス１の側方に設けられたレーザ装置４９により、検出領域２９に励起光が照射されて複数の分析流路４３に励起光が同時に照射される。
【０００４】
チップデバイス１の上方に設けられた集光レンズ５１により、検出領域２９内の特定の分析流路４３からの光を集光して平行光にする。その平行光を、レーザ光を除去するための除去フィルター５３を介して、透過型回折格子５５に送る。透過型回折格子５５により除去フィルター５３からの平行光を分光し、結像レンズ５７を介して、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）５９に結像する。各波長の光はＣＣＤ５９の異なる位置に結像される。ＣＣＤ５９の検出信号に基づいて所定の蛍光波長の強度を算出する。蛍光波長の強度を調べることにより、検出領域２９におけるその蛍光波長の蛍光を発する蛍光物質の有無を判断できる。
【０００５】
図３の蛍光検出装置では、集光レンズ５１、除去フィルター５３、透過型回折格子５５、結像レンズ５７及びＣＣＤ５９を含む光学系又はチップデバイス１を検出領域２９方向に移動させることにより、複数の分析流路４３について検出領域２９で蛍光検出を順次行なう。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、検出信号の高いＳ／Ｎを実現できる蛍光検出装置を備えた電気泳動装置を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる電気泳動装置は、分離用流路が形成されたチップデバイスと、表面上に前記チップデバイスを保持するとともに、該チップデバイスの温度を調節するための温調機構を備えたチップデバイス保持台と、前記チップデバイス保持台に保持されたチップデバイス上を覆い、測定用の光が透過する開口を有する泳動チャンバー蓋と、前記泳動チャンバー蓋の上部に配置され、前記チップデバイス保持台に保持されたチップデバイスの検出領域からの光を前記開口を介してスリットの穴に結像する第１の光学系、及び、少なくとも反射型回折格子を備えて前記スリットの穴からの光を分光し、検出素子に結像する第２の光学系を備えた蛍光検出装置と、を備えたものである。
【０００８】
第１の光学系により検出領域からの光をスリットの穴に結像する。反射型回折格子を備えた第２の光学系により、スリットの穴からの光を分光し、検出素子に結像する。
反射型回折格子は透過型回折格子に比較して回折効率が高いので、検出素子の検出信号について高いＳ／Ｎを実現できる。さらに、反射型回折格子は結像特性がよいので、複数の分析流路にまたがる帯状の検出領域で蛍光検出を行なう場合であっても、クロストークを低減することができる。
また、チップデバイス保持台と泳動チャンバー蓋によって電気泳動動作中のチップデバイスの温度を所定の温度に調節することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明にかかる電気泳動装置の蛍光検出装置において、反射型回折格子として反射型凹面格子を備え、第２の光学系は反射型凹面格子のみによって構成されていることが好ましい。反射型凹面格子を用いることにより、凹面鏡などの光学系を用いることなく、スリットの穴からの光を分光して検出素子に結像することができる。これにより、装置の構成を簡単にすることができる。
【００１０】
【実施例】
図１は本発明にかかる電気泳動装置の蛍光検出装置の一実施例を備えた電気泳動装置を示す斜視図である。図２は、図１の電気泳動装置に装着される多数の分離用流路が形成されたチップデバイスを表す図であり、（Ａ）は一方の基板の上面図、（Ｂ）は他方の基板の上面図、（Ｃ）は両基板を重ね合わせた状態での上面図、（Ｄ）は（Ｃ）の円で囲まれた部分を拡大して示す上面図、（Ｅ）は（Ｃ）の分析流路部分を示す断面図である。
【００１１】
まず、図２に示すチップデバイスについて説明する。
チップデバイス１は、一対の透明板状の無機材料（例えばガラス、石英、シリコンなど）又はプラスチックからなる基板１ａ，１ｂにより構成される。基板１ａ，１ｂの厚さは１.１ｍｍである。
一方の基板１ｂの表面には、半導体フォトリソグラフィー技術又はマイクロマシニング技術により、互いに交差するサンプル導入用流路４１及び分離用流路４３の組が１６組形成されている。サンプル導入用流路４１及び分離用流路４３の寸法は幅が１００μｍ程度、深さが５０μｍ程度である。１６組の流路４１，４３は、他の組の流路と交差しないように、サンプル導入用流路４１と交差する側とは反対側の分離用流路４３の一端側を要として扇型に配置されている。
【００１２】
他方の基板１ａには流路４１，４３の端に対応する位置にアノードリザーバ４５ａ、カソードリザーバ４５ｃ、サンプルリザーバ４５ｓ、ウエイストリザーバ４５ｗとしての貫通穴が形成されている。リザーバ４５ｓ，４５ｗは流路４１，４３の組ごとに設けられている。アノードリザーバ４５ａは扇型配置の要側の各組の分離用流路４３の一端側で共通である。カソードリザーバ４５ｃは長穴により構成され、各組の分析流路４３の他端側で共通である。
図２（Ｄ）に示すように、サンプルリザーバ４５ｓからのサンプル導入用流路４１とウエイストリザーバ４５ｗからのサンプル導入用流路４１は１００μｍの間隔をもって分析流路４３に接続されている。
【００１３】
チップデバイス１は、両基板１ａ，１ｂを重ねて接合した状態で使用される。チップデバイス１での分離サンプルの検出領域２９は、扇型配置の要側の各組の分離用流路４３の一端側付近である。
このようなチップデバイスは、多数の分離用流路が形成されていることから、Multi-channel Micro-chipとも呼ばれる。
【００１４】
図１を用いて電気泳動装置について説明する。
チップデバイス１はリザーバが形成された表面を上方にしてチップデバイス保持台３に保持されている。チップデバイス保持台３にはチップデバイス１の温度を調節するためのペルチエ式温調機構５が備えられている。ペルチエ式温調機構５に対向する位置にペルチエ式温調機構５に送風するためのファン７が設けられている。チップデバイス保持台３のチップデバイス１が保持された表面を覆う泳動チャンバー蓋９が設けられている。
【００１５】
チップデバイス保持台３の付近に、チップデバイス保持台３に保持されたチップデバイス１の流路及びリザーバに泳動媒体としてのポリマーを充填するためのポリマー充填ポート１１及びポリマー充填用シリンジ１３が設けられている。
チップデバイス保持台３のチップデバイス１が保持された表面側に、チップデバイス１のリザーバ４５ａ，４５ｃ，４５ｓ，４５ｗに収容された液に電圧を印加するための電極１５がリザーバ４５ａ，４５ｃ，４５ｓ，４５ｗごとに設けられている。各電極１５は電極１５に電圧を供給するための高電圧供給部１７に電気的に接続されている。
【００１６】
電気泳動装置の検出装置として蛍光検出装置が備えられている。蛍光検出装置の光源として、励起光源レーザ装置１９が設けられている。レーザ装置１９としては、例えばアルゴン（Ａｒ）レーザやクリプトン（Ｋｒ）レーザ、ヘリウムネオン（Ｈｅ-Ｎｅ）レーザ、ネオジム（Ｎｄ）-ＹＡＧ（Ｙ3Ａｌ5Ｏ12）などのＮｄイオン固体レーザ、半導体レーザ（Laser Diode：ＬＤ）、光第２高調波発生（ＳＨＧ）現象を利用した固体レーザなど、種々のレーザ装置を用いることができる。
【００１７】
レーザ装置１９からの励起光の光路にはその励起光を平行光にするビームエキスパンダ２１が設けられている。ビームエキスパンダ２１からの励起光の光路には、ガルバノミラーやＡＯＤ（Acousto-Optics Device）などの励起光を走査するためのビームスキャニング素子２３が設けられている。
ビームスキャニング素子２３からの励起光の光路には、ビームスキャニング素子２３からの励起光をチップデバイス１側へ反射するダイクロイックミラー２５が設けられている。ダイクロイックミラー２５は励起光を反射し、チップデバイス１側からの蛍光を透過するような波長特性のものを用いる。
【００１８】
ダイクロイックミラー２５に反射された励起光の光路には、その励起光を泳動チャンバー蓋９に設けられた開口を介してチップデバイス１の分離用流路４３の検出領域２９（図２も参照）に集光する対物レンズ２７が設けられている。
ダイクロイックミラー２５の対物レンズ２７とは反対側に、励起光成分を除去する除去フィルター３１が設けられている。除去フィルター３１を透過した蛍光の光路にはその蛍光を、チップデバイス１の検出領域２９に対応して長穴が形成されたスリット３５に結像するためのレンズ３３が設けられている。
【００１９】
スリット３５の長穴からの蛍光の光路には、その蛍光を分光して冷却ＣＣＤ３９の受光面に結像するための凹面ホログラフィックグレーティング（反射型凹面格子）３７が設けられている。
冷却ＣＣＤ３９には、冷却ＣＣＤ３９の動作を制御し、冷却ＣＣＤ３９の検出信号を処理するための演算装置（図示は省略）が電気的に接続されている。
蛍光検出装置は、チップデバイス１の分離用流路４３の検出領域２９における蛍光を検出して分離したサンプルを検出するものである。グレーティング３７により検出領域２９からの蛍光を分光することにより、複数種類の蛍光波長を検出することができる。
【００２０】
この実施例において、本発明にかかる蛍光検出装置は、励起光源レーザ装置１９、ビームエキスパンダ２１、ビームスキャニング素子２３、ダイクロイックミラー２５、対物レンズ２７、除去フィルター３１、レンズ３３、スリット３５、グレーティング３７及び冷却ＣＣＤ３９により構成され、第１の光学系は、ダイクロイックミラー２５、対物レンズ２７、除去フィルター３１、レンズ３３、スリット３５により実現され、第２の光学系はグレーティング３７により実現されている。
【００２１】
図１及び図２を参照してこの電気泳動装置の動作を説明する。
泳動チャンバー蓋９が開けられ、チップデバイス保持台３の所定位置にチップデバイス１が配置された後、ポリマー充填ポート１１を移動させてチップデバイス１のリザーバ４５ａに接合させる。シリンジ１３内に収容されたポリマーを押し出して、ポリマー充填ポート１１及びリザーバ４５ａを介して分析流路４３及びサンプル導入流路４１に充填する。
リザーバ４５ａ，４５ｃ，４５ｗにバッファが注入され、サンプルリザーバ４５ｓにサンプルが注入され、各リザーバ４５ａ，４５ｃ，４５ｓ，４５ｗに電極１５が配置された後、泳動チャンバー蓋９が閉じられる。ペルチエ式温調機構５及びファン７を作動させ、チップデバイス１及び泳動チャンバー内を所定の温度に温調する。
【００２２】
泳動用高圧電源１７により各電極１５に所定の電圧を印加してサンプルリザーバ４５ｓに収容されたサンプルをサンプル導入用流路４１内に導入した後、各電極１５への印加電圧を切り換えて、サンプル導入用流路４１と分析流路４３の交差部にあるサンプルを分析流路４３内に導入する。その後、分析流路４３に導入したサンプルをアノードリザーバ４５ａ側へ泳動させて分離させる。
【００２３】
励起光源レーザ装置１９を作動させ、励起光をビームエキスパンダ２１及びビームスキャニング素子２３を介してダイクロイックミラー２５に照射する。ダイクロイックミラー２５により励起光を対物レンズ２７側に反射し、対物レンズ２７により励起光を検出領域２９内に照射する。このとき、ビームスキャニング素子２３により、検出領域２９内で分析流路４３が並ぶ方向（図１中矢印参照）に励起光が走査されるように、ダイクロイックミラー２５への励起光の照射位置を走査する。
【００２４】
検出領域２９からの光を対物レンズ２７により集光し、平行光にしてダイクロイックミラー２５へ送る。ダイクロイックミラー２５は対物レンズ２７からの光を透過して除去フィルター３１に送る。除去フィルター３１はダイクロイックミラー２５からの光のうち、励起光成分を除去し、所定の波長の蛍光のみを透過してレンズ３３に送る。レンズ３３は除去フィルター３１からの蛍光をスリット３５の長穴に集光する。スリット３５の長穴を通過した蛍光はグレーティング３７に照射される。グレーティング３７はスリット３５からの蛍光を分光し、冷却ＣＣＤ３９の受光面に結像する。冷却ＣＣＤ３９の検出信号に基づいて、蛍光標識されたサンプルを検出する。
【００２５】
図１に示す一実施例としての蛍光検出装置では、透過型回折格子を用いた従来の蛍光検出装置とは異なり、反射型回折格子である凹面ホログラフィックグレーティング３７を用いているので、回折効率がよく、従来の蛍光検出装置に比べて冷却ＣＣＤ３９の検出信号のＳ／Ｎを向上させることができる。また、結像特性がよいことから、隣接する分析流路４３間のクロストークを低減することができる。
【００２６】
図１では、一実施例としての蛍光検出装置を電気泳動装置に適用しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、蛍光検出を行なう他の装置にも適用できるし、蛍光検出装置単体として用いることもできる。例えば、サンプルを収容するための複数の凹部が配列されたマイクロタイタープレート用の蛍光検出装置として用いることができる。
【００２７】
本発明にかかる蛍光検出装置の構成は図１に示すものに限定されるものではない。すなわち、第１の光学系は検出領域からの光をスリットの穴に結像することができ、第２の光学系は少なくとも反射型回折格子を備え、スリットの穴からの光を分光し、検出素子に結像することができる構成であればどのような構成であってもよい。また、光源を含む励起光を照射する光学系はどのような構成であってもよく、例えば光源としてＬＥＤ（Light Emitting Diode）を用いてもよい。
【００２８】
また、図１に示した蛍光検出装置では、第２の光学系として反射型凹面格子である凹面ホログラフィックグレーティングのみを用いているが、本発明を構成する第２の光学系はこれに限定されるものではなく、凹面鏡と反射型平面格子の組み合わせであってもよい。
また、図１に示した蛍光検出装置では、検出領域に励起光を照射する光学系として、ビームスキャニング素子を用いて検出領域内で励起光を走査するものを用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、検出領域内にライン状の励起光を照射する光学系や、チップデバイスの側面から検出領域に励起光を照射する光学系など、検出領域に励起光を照射できる光学系であればどのような光学系であってもよい。
【００２９】
【発明の効果】
本発明の電気泳動装置の蛍光検出装置では、検出領域からの光をスリットの穴に結像する第１の光学系と、少なくとも反射型回折格子を備え、スリットの穴からの光を分光し、検出素子に結像する第２の光学系とを備え、透過型回折格子に比較して回折効率が高い反射型回折格子により検出領域からの光を分光するようにしたので、検出素子の検出信号について高いＳ／Ｎを実現できる。さらに、複数の検出位置にまたがる検出領域で蛍光検出を行なう場合であっても、反射型回折格子の高い結像特性により、クロストークを低減することができる。
また、チップデバイス保持台が温調機構を備え、泳動チャンバー蓋によってチップデバイス上を覆ったので、電気泳動動作中のチップデバイスの温度を所定の温度に調節することができる。
【００３０】
本発明にかかる蛍光検出装置において、反射型回折格子として反射型凹面格子を備え、第２の光学系は反射型凹面格子のみによって構成されているようにすれば、装置の構成を簡単にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる蛍光検出装置の一実施例を備えた電気泳動装置を示す斜視図である。
【図２】図１の電気泳動装置に装着されるチップデバイスを表す図であり、（Ａ）は一方の基板の上面図、（Ｂ）は他方の基板の上面図、（Ｃ）は両基板を重ね合わせた状態での上面図、（Ｄ）は（Ｃ）の円で囲まれた部分を拡大して示す上面図、（Ｅ）は（Ｃ）の分析流路部分を示す断面図である。
【図３】チップデバイスを用いた電気泳動装置に適用された従来の蛍光検出装置を示す斜視図である。
【符号の説明】
１      チップデバイス
３      チップデバイス保持台
５      ペルチエ式温調機構
７      ファン
９      泳動チャンバー蓋
１１      ポリマー充填ポート
１３      ポリマー充填用シリンジ
１５      電極
１７      高電圧供給部
１９      励起光源レーザ装置
２１      ビームエキスパンダ
２３      ビームスキャニング素子
２５      ダイクロイックミラー
２７      対物レンズ
２９      検出領域
３１      除去フィルター
３３      レンズ
３５      スリット
３７      凹面ホログラフィックグレーティング（反射型凹面格子）
３９      冷却ＣＣＤ
【図１】
0003636070.tif 000002
【図２】
0003636070.tif 000003
【図３】
0003636070.tif 000004