(57)【要約】【課題】検出対象光を増加させることにより、検出感度を向上させることのできるバイオチップおよびバイオチップ読み取り装置を提供する。【解決手段】  本発明によるバイオチップは、一方の面に試料（１３）を備え、当該試料に関し、試料が発生する蛍光または化学発光による光の検出器と反対側であって、当該試料に対応する位置に反射部材（１４、１６、１７）を備える基板（１１）を含む。１実施形態によれば、反射部材が、試料が発生する蛍光または化学発光による光を試料の位置に反射するように構成されている。他の実施形態によれば、反射部材によって反射された、試料が発生する蛍光または化学発光による光が、試料の位置に反射された後、試料の位置を集光位置とする対物レンズを通過して検出器に至るように構成されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の面に試料を備え、当該試料に関し、試料が発生する蛍光または化学発光による光の検出器と反対側であって、当該試料に対応する位置に反射部材を備える基板を含むバイオチップ。
【請求項２】
反射部材が、試料が発生する蛍光または化学発光による光を試料の位置に反射するように構成された請求項１に記載のバイオチップ。
【請求項３】
反射部材によって反射された、試料が発生する蛍光または化学発光による光が、試料の位置に反射された後、試料の位置を集光位置とする対物レンズを通過して検出器に至るように構成された請求項１または２に記載のバイオチップ。
【請求項４】
反射部材が基板の、試料を備えた面と反対側の面に形成された請求項１から３のいずれかに記載のバイオチップ。
【請求項５】
基板がガラス素材またはプラスチック素材からなる請求項１から４のいずれかに記載のバイオチップ。
【請求項６】
反射部材の面を金属膜でコートした請求項１から５のいずれかに記載のバイオチップ。
【請求項７】
反射部材の面を誘電体多層膜でコートした請求項１から５のいずれかに記載のバイオチップ。
【請求項８】
試料が基板の前記一方の面に設けられたウエルに配置される請求項１から７のいずれかに記載のバイオチップ。
【請求項９】
ウエルが、底面に近づくほど細くなっている円錐または円錐台形状である請求項１から８のいずれかに記載のバイオチップ。
【請求項１０】
試料励起光が対物レンズによってウエルの底部に集光されるように構成されている場合に、ウエルの円錐または円錐台の側面の傾きを、集光角度にしたがって定める請求項９に記載のバイオチップ。
【請求項１１】
反射部材が反射型回折格子である請求項１から１０のいずれかに記載のバイオチップ。
【請求項１２】
ｍは１以上の整数として、反射型回折格子が、ｍ次反射回折光の回折効率を最大とするように構成された請求項１１に記載のバイオチップ。
【請求項１３】
反射部材がフレネル反射面を含む請求項１から１０のいずれかに記載のバイオチップ。
【請求項１４】
反射部材が反射球面または反射非球面を含む請求項１から１０のいずれかに記載のバイオチップ。
【請求項１５】
試料励起光の光源と、試料励起光を反射させ、試料からの蛍光を透過させるダイクロックミラーと、試料励起光を試料の位置に集光させる対物レンズと、一方の面に試料を備え、当該試料に関し試料励起光の光源と反対側であって、当該試料に対応する位置に反射部材を備える基板を含むバイオチップと、試料からの蛍光を検出する検出器とを備えるバイオチップ読み取り装置。
【請求項１６】
反射部材が、試料からの蛍光を試料の位置に反射するように構成された請求項１５に記載のバイオチップ読み取り装置。
【請求項１７】
反射部材によって反射された蛍光が、試料の位置に反射された後、対物レンズを通過して検出器に至るように構成された請求項１５または１６に記載のバイオチップ読み取り装置。
【請求項１８】
反射部材が反射型回折格子である請求項１５から１７のいずれかに記載のバイオチップ読み取り装置。
【請求項１９】
ｍは１以上の整数として、反射型回折格子が、ｍ次反射回折光の回折効率を最大とするように構成された請求項１８に記載のバイオチップ読み取り装置。
【請求項２０】
反射部材がフレネル反射面を含む請求項１５から１７のいずれかに記載のバイオチップ読み取り装置。
【請求項２１】
反射部材が反射球面または反射非球面を含む請求項１５から１７のいずれかに記載のバイオチップ読み取り装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＤＮＡチップやプロテインチップなどのバイオチップおよびバイオチップ読み取り装置に関する。特に、検出感度を向上させたバイオチップおよびバイオチップ読み取り装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
バイオチップは、ガラス等の基板の上に多種類のＤＮＡの断片(プローブ)や合成オリゴヌクレチオドを貼り付けたものである。バイオチップは、ＤＮＡチップ、プロテインチップ、ＤＮＡアレイおよびＤＮＡマイクロアレイなどを含む。
【０００３】
バイオチップの読み取りは、レーザー等の励起光により試料を照射し、試料から発生した蛍光による光を検出し、または試料から発生した化学発光による光を検出することによって行う。
【０００４】
図１０は、従来のバイオチップ読み取り装置の構成を示す図である。試料励起光原１からの試料励起光は、ダイクロックミラー２によって反射される。ダイクロックミラー２は、試料励起光の波長を透過せず、試料から発生した蛍光の波長を透過させるような特性のものを選択する。ダイクロックミラー２で反射された試料励起光は、対物レンズ３によって、バイオチップ４の試料の位置に集光される。試料から発生した蛍光の一部は、対物レンズ３を通過し、さらにダイクロックミラー２を透過して検出器５に至り検出される。化学発光検出の場合、試料励起光は照射されないが、試料から発生した光が検出器５に至るまでの過程は同様である。
【０００５】
図１０において、実線は試料励起光の光路を示す。点線は、試料１３から発生した蛍光または化学発光の光の光路を示す。
【０００６】
図１１は、従来のバイオチップの構成を示す図である。バイオチップ４は、基板１１からなり基板１１の一方の面には、試料１３が配置される。試料励起光は、試料１３が配置されている方の面から照射される。基板１１は蛍光または化学発光による光を透過させるように、ガラスまたはプラスチップで形成することができる。ここで、試料１３に試料励起光が照射されると、試料１３から蛍光が発生する。蛍光の一部は、上述のように対物レンズ３の方向に戻り検出器５に到達して検出される。しかし、蛍光の他の部分は、対物レンズの方向と異なる方向に進み、検出器に検出されない。
【０００７】
したがって、従来のバイオチップでは、検出感度を向上させることが困難であった。
【０００８】
従来のバイオチップを使用したバイオチップ読み取り装置の構成については、たとえば、特許文献１（図１他）、特許文献２（図１、図２４他）、および特許文献３（図２、図６他）などに開示されている。
【０００９】
【特許文献１】特開２００１−１９４３０９号公報
【特許文献２】特開２００１−３１１６９０号公報
【特許文献３】特開２００４−１３８４２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
このように、従来のバイオチップは、検出器の方向に向けて射出される光を検出するのみで基板媒質方向に抜ける蛍光または化学発光を検出対象光として取り込むことができないので、検出感度を向上させるのが困難である。
【００１１】
したがって、検出対象光を増加させることにより、検出感度を向上させることのできるバイオチップに対するニーズがある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明によるバイオチップは、一方の面に試料を備え、当該試料に関し、試料が発生する蛍光または化学発光による光の検出器と反対側であって、当該試料に対応する位置に反射部材を備える基板を含む。
【００１３】
本発明によるバイオチップ読み取り装置は、試料励起光の光源と、試料励起光を反射させ、試料からの蛍光を透過させるダイクロックミラーと、試料励起光を試料の位置に集光させる対物レンズと、一方の面に試料を備え、当該試料に関し試料励起光の光源と反対側であって、当該試料に対応する位置に反射部材を備える基板を含むバイオチップと、試料からの蛍光を検出する検出器とを備える。
【００１４】
したがって、試料が発生する蛍光または化学発光による光は、反射部材によって検出器に向けて反射されるので、検出器の感度を向上させることができる。
【００１５】
本発明の１実施形態によれば、反射部材が、試料が発生する蛍光または化学発光による光を試料の位置に反射するように構成されている。
【００１６】
したがって、試料が発生する蛍光または化学発光による光は、反射部材によって試料の位置に向けて反射され、その後検出器に向かうので、検出器の感度を向上させることができる。
【００１７】
本発明の１実施形態によれば、ｍは１以上の整数として、反射型回折格子が、ｍ次反射回折光の回折効率を最大とするように構成されている。
【００１８】
したがって、試料が発生する蛍光または化学発光による光であって、反射型回折格子に入射する光に対する、反射型回折格子によって、検出器に向けて反射される光の比率が最大となるので、検出器の感度をさらに向上させることができる。
【００１９】
本発明の１実施形態によれば、反射部材によって反射された、試料が発生する蛍光または化学発光による光が、試料の位置に反射された後、試料の位置を集光位置とする対物レンズを通過して検出器に至るように構成されている。
【００２０】
試料が発生する蛍光または化学発光による光は、反射部材によって試料の位置に向けて反射され、試料の位置を集光位置とする対物レンズに向かい、対物レンズによってほぼ平行光とされる。したがって、平行光として検出器に向かうので、検出器の検出面に入射されやすく、検出器の感度をさらに向上させることができる。
【００２１】
本発明の１実施形態によれば、反射部材が基板の、試料を備えた面と反対側の面に形成されている。
【００２２】
したがって、基板がガラス素材の場合にはインプリンティングによって、基板がプラスチック素材の場合には射出成型または切削によって反射部材を製作するのが容易である。
【００２３】
本発明の１実施形態によれば、基板がガラス素材またはプラスチック素材からなる。
【００２４】
したがって、基板が蛍光または化学発光による光を透過させるようにするのに都合がよい。
【００２５】
本発明の１実施形態によれば、反射部材の面を金属膜でコートしている。
【００２６】
したがって、高い反射率を得ることができる。
【００２７】
本発明の１実施形態によれば、反射部材の面を誘電体多層膜でコートしている。
【００２８】
屈折率の高い誘電体膜と屈折率の低い誘電体膜を交互に積層することにより、高効率の反射膜が得られる。各層の膜厚を最適化することにより、所望の波長の反射特性を高くすることができる。
【００２９】
本発明の１実施形態によれば、試料が基板の一方の面に設けられたウエルに配置されている。
【００３０】
したがって、試料の位置がウエルの位置によって定まるので都合がよい。
【００３１】
本発明の１実施形態によれば、ウエルが、底面に近づくほど細くなっている円錐または円錐台形状である。
【００３２】
したがって、試料が、ウエルの底部の狭い領域に集中して配置され、試料の位置が狭い領域に特定されるので都合がよい。
【００３３】
本発明の１実施形態によれば、試料励起光が対物レンズによってウエルの底部に集光されるように構成されている場合に、ウエルの円錐または円錐台の側面の傾きが、集光角度にしたがって定められる。
【００３４】
本発明の１実施形態によれば、反射部材は反射型回折格子である。
【００３５】
したがって、反射部材はコンパクトで反射効率が高い。特に、光軸方向の厚さをきわめて小さくすることができる。
【００３６】
本発明の１実施形態によれば、反射部材はフレネル反射面を含む。
【００３７】
したがって、反射部材はコンパクトである。
【００３８】
本発明の１実施形態によれば、反射部材は反射球面または反射非球面を含む。
【００３９】
したがって、反射部材は反射効率が高い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
図１は、本発明の１実施形態によるバイオチップ読み取り装置の構成を示す図である。試料励起光原１からの試料励起光は、ダイクロックミラー２によって反射される。ダイクロックミラー２は、試料励起光の波長を透過せず、試料から発生した蛍光の波長を透過させるような特性のものを選択する。ダイクロックミラー２で反射された試料励起光は、対物レンズ３によって、バイオチップ４の試料の位置に集光される。試料から発生した蛍光の一部は、対物レンズ３を通過し、さらにダイクロックミラー２を透過して検出器５に至り検出される。化学発光検出の場合、試料励起光は照射されないが、試料から発生した光が検出器５に至るまでの過程は同様である。
【００４１】
図１において、実線は試料励起光の光路を示す。点線は、試料１３から発生した蛍光または化学発光の光の光路を示す。
【００４２】
図２は、本発明の１実施形態によるバイオチップの構成を示す図である。バイオチップ４は、基板１１からなり基板１１の一方の面には、ウエル１２が形成されている。試料励起光は、ウエル１２の形成されている方の面から照射される。基板１１は蛍光または化学発光による光を透過させるように、ガラスまたはプラスチップで形成することができる。ウエル１２の中に試料が配置される。本実施形態においては、基板１１の、ウエル１２が形成されている面と反対側の面において、ウエル１２に対応する位置に反射型回折格子１４が形成されている。すなわち、反射型回折格子１４は、ウエル１２ごとに形成される。反射型回折格子１４の格子面には、反射膜１５がコートされている。ここで、ウエル１２の形状は、図２に示すように、底部に向けて細くなっている円錐形状または円錐台形状が好ましい。ウエル１２の底部に試料１３が配置される。ウエル１２の形状については、後でさらに説明する。
【００４３】
図３は、本発明の反射型回折格子の設計の考え方を示す光路図である。光源側より入射されたコリメート光（試料励起光）は、対物レンズ３により試料の位置に集光される。試料から１３から発生した蛍光の一部は、対物レンズ３の方向に向かい、対物レンズ３によってコリメート光に変換され、検出器に戻る。試料１３から発生した蛍光の他の部分は、反射型回折格子１４の方向に向かう。試料１３からの化学発光の光の光路も、蛍光の光路と同様である。反射型回折格子１４は、同心円状に形成される。反射型回折格子１４は、蛍光または化学発光の光を、試料１３の位置、すなわちウエル１２の底部に反射させるように設計する。試料１３を透過した蛍光または化学発光の光は、対物レンズ３の方向に向かい、対物レンズ３によってコリメート光に変換され、検出器に戻る。このようにして、従来のバイオチップにおいては、検出器に向けられていなかった蛍光または化学発光の光が、検出器に向けられ、検出感度が向上する。
【００４４】
図３において、実線は、試料励起光の光路を示す。点線は、試料１３から発生した蛍光または化学発光の光であって、反射回折格子１４によって、試料１３の位置に反射されたものを含む光の光路を示す。また、図３において、θは対物レンズの集光角度（全角）を示す。
【００４５】
一般的に、回折格子の格子間隔は回折角を決定する。本実施形態においては、ウエル１２の底部に光線が戻るように格子間隔を決定する。また、格子深さは、どの回折次数にどれだけエネルギーを分配するかを決定する。本実施形態においては、１次回折光を利用するので、１次回折光のエネルギーが最大となるように格子深さを決定する。ブレーズ化反射型回折格子の場合に、１次回折光のエネルギーが最大となるように格子深さは、以下のとおりである。
【００４６】
λ/(2n)
ここで、は光の波長であり、ｎは、基板の屈折率である。また、格子の細部の形状については、光路から光路差関数を求め、形状関数に変更することによって求める。
【００４７】
図４は、本実施形態で使用した反射型回折格子１４の形状を示す。上述のように、反射型回折格子１４は、同心円状に形成される。横軸は、同心円の中心からの距離を示す。縦軸は、格子深さを示す。格子深さは、２００ナノメータである。ここで、基板はガラスを使用し、屈折率は、１．５１６である。光の波長は、５７０ナノメータおよび６６５ナノメータの２波長に対して最適化している。
【００４８】
本実施形態では、１次回折光を利用したが、より高次の回折光を利用しても同様に反射型回折格子１４を設計することができる。
【００４９】
反射型回折格子１４は、基板がガラス素材の場合にはインプリンティングによって、基板がプラスチック素材の場合には射出成型または切削によって製作する。
【００５０】
反射型回折格子１４の格子面は、金属または誘電体多層膜でコートする。コートは基板の全面に行っても、反射型回折格子１４の位置だけに行ってもよい。金属コートの場合には、金やアルミで１層コートする。金の物理膜厚は数百ナノメータ以上であればよい。本実施形態では、３００ナノメータである。金コートによる反射特性を図５に示す。横軸は波長、縦軸は反射率を示す。誘電体多層膜コートの場合は、屈折率の高い誘電体膜と屈折率の低い誘電体膜を交互に積層することにより、高効率の反射膜が得られる。本実施形態の場合には、物理膜厚は２．２μｍであり、低屈率折材料としてSiO2、高屈折率材料としてTi3O5を使用し、２１層構造としている。各層の膜厚は、所望の波長の反射特性を高くするように最適化する。本実施形態の誘電体多層膜コートによる反射特性を図６に示す。横軸は波長、縦軸は反射率を示す。５７０ナノメータおよび６６５ナノメータの２波長の付近で反射率がピークとなっている。
【００５１】
図７は、反射型回折格子１４の代わりにフレネル反射面１６を使用した実施形態を示す。フレネル反射面は、以下の式で表せる面を、ｈを半径とする輪状のゾーン（輪帯）に分割し、それらのゾーンを平面基板上に配置したものである。
【数１】
2006098213.tif 000003
【００５２】
ここで、ｃは曲率、Ｒは曲率半径、ｋはコーニック定数、Ａｉは非球面係数を示す。本実施形態では、ｋはゼロとする。他の数値は、以下に示すとおりである。これらの数値は、ウエル１２の底部に光線が戻るように定められている。
【表１】
2006098213.tif 000004
【００５３】
図８は、反射型回折格子１４の代わりに反射球面１７を使用した実施形態を示す。反射球面１７の仕様を以下の表に示す。
【表２】
2006098213.tif 000005
【００５４】
図９は、反射球面の有効径２ａ、有効径２ａに対するサグ量ｂを示す。これらの数値は、ウエル１２の底部に光線が戻るように定められている。反射球面の代わりに、放物面、楕円面、双曲面、４次曲面などの反射非球面を使用することもできる。
【００５５】
フレネル反射面１６および反射球面１７も、反射型回折格子１４を使用する場合と同様に、金属または誘電体多層膜でコートする。
【００５６】
ここで、ウエル１２の形状について説明する。本発明においては、反射部材１４、１６または１７の形状は、ウエル１２の底部に配置された試料１３から発生した蛍光または化学発光の光が、ウエル１２の底部に向けて反射されるように設計される。したがって、本発明においては、試料１３が、ウエル１２の底部の狭い領域に集中して配置されるのが好ましい。このため、ウエル１２の形状は、たとえば、断面が半円状のものすなわち半球状のものよりも、図２に示すような、断面が三角形または台形状のもの、すなわち円錐状または円錐台状のものの方が有利である。また、円錐または円錐台の側面の傾きは、集光角度にしたがって定めるのが好ましい。
【００５７】
ここで、対物レンズ３の集光角度は、半角１１度、全角２２度、対物レンズ３と基板１１の対物レンズ側との距離は４．３ｍｍ、基板１１の厚さは１．０ｍｍ、ウエル１２の基板１１面上の半径は０．３ｍｍ、ウエル１２の深さは０．４ｍｍ、ウエル１２の底面の半径は０．１６ｍｍ、反射部材１４、１６または１７の外周円の直径は０．３ｍｍである。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の１実施形態によるバイオチップ読み取り装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の１実施形態によるバイオチップの構成を示す図である。
【図３】本発明の反射型回折格子の設計の考え方を示す光路図である。
【図４】本実施形態で使用した反射型回折格子の形状を示す図である。
【図５】金コートによる反射特性を示す図である。
【図６】本実施形態の誘電体多層膜コートによる反射特性を示す図である。
【図７】本発明のフレネル反射面の設計の考え方を示す光路図である。
【図８】本発明の反射球面の設計の考え方を示す光路図である。
【図９】反射球面の形状を示す図である。
【図１０】従来のバイオチップ読み取り装置の構成を示す図である。
【図１１】従来のバイオチップの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００５９】
１    光源
２    ダイクロックミラー
３    対物レンズ
４    バイオチップ
５    検出器
１１  基板
１２  ウエル
１３  試料
１４  反射型回折格子
１５  反射膜
１６  フレネル反射面
１７  反射球面
【図１】
2006098213.tif 000006
【図２】
2006098213.tif 000007
【図３】
2006098213.tif 000008
【図４】
2006098213.tif 000009
【図５】
2006098213.tif 000010
【図６】
2006098213.tif 000011
【図７】
2006098213.tif 000012
【図８】
2006098213.tif 000013
【図９】
2006098213.tif 000014
【図１０】
2006098213.tif 000015
【図１１】
2006098213.tif 000016