(57)【要約】【課題】バイオチップ読取装置において光の利用効率を向上すること。【解決手段】ミラー１２，１８との間で外部共振器を構成し、この外部共振器によるキャビティ内にゲイン媒質１１とバイオチップ１６を配置する。このキャビティ構造はレーザ発振器の外部共振器であり、同時にバイオチップに対して光の利用効率を向上させるためのキャビティともなっている。又キャビティ内の光をバイオチップ１６の測定領域に集束レンズ１５，１７で集束することによって、レーザ光の利用効率を向上させ、バイオチップから発する蛍光を容易に検出することができる。蛍光はダイクロイックミラー１４、吸収フィルタ１９を介して受光素子２１に集光される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲイン媒質と、
一対の反射部によって形成され、その内部に前記ゲイン媒質を含む外部共振器と、
前記外部共振器の内部の光の光路に配置されたバイオチップと、
前記外部共振器内に設けられ、前記蛍光の波長とは異なる波長の光を選択し、前記外部共振器で発光するレーザ光の波長特性を決める光フィルタと、
前記外部共振器の外に配置され、前記バイオチップから得られる蛍光を集光する集光レンズと、
前記集光レンズによって集光された蛍光を受光する受光素子と、を有するバイオチップ読取装置。
【請求項２】
前記外部共振器内に、その外部共振器の一部となる光ファイバを含む請求項１記載のバイオチップ読取装置。
【請求項３】
前記光フィルタは、前記外部共振器の一方の反射部を構成し、前記バイオチップにより発光する蛍光を透過する波長特性を有する請求項１記載のバイオチップ読取装置。
【請求項４】
前記バイオチップの測定すべき領域に光を集束する第１，第２の集束レンズを更に有し、
前記第１，第２の集束レンズは、前記バイオチップを挟んで両側に配置した請求項１〜３のいずれか１項記載のバイオチップ読取装置。
【請求項５】
光源と、
前記光源からの光が導かれ、一対の反射部によって形成されたキャビティと、
前記キャビティの内部の光の光路に配置されたバイオチップと、
前記キャビティの外に配置され、前記バイオチップから得られる蛍光を集光する集光レンズと、
前記集光レンズによって集光された蛍光を受光する受光素子と、を有するバイオチップ読取装置。
【請求項６】
前記バイオチップの測定すべき領域に光を集束する第１，第２の集束レンズを更に有し、
前記第１，第２の集束レンズは、前記バイオチップを挟んで両側に配置した請求項５項記載のバイオチップ読取装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はバイオチップの蛍光観察用途に用いられるバイオチップ読取装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
本発明は分子生物学においてＤＮＡや蛋白質に蛍光物質を加え、レーザ光を試料に入射して蛍光物質を励起し、蛍光の発光量によってＤＮＡや蛋白質を検出している。バイオチップは透明ガラス板上にＤＮＡや蛋白質を高密度に集積している。このようなバイオチップにおいては、特許文献１に示されるように、レーザ光をガラス板の測定領域に照射して測定領域の試料から発光する蛍光のレベルを検出することが行われる。こうすればわずかの試料で短時間に所望の計測を行うことができる。
【０００３】
バイオチップの検査では、検出したい物質と蛍光材料をあらかじめ化学的に結合させておき、バイオチップの測定領域の蛍光材料からの蛍光量を測定することで間接的に被測定物の定量評価を行う。これに利用される蛍光材料は既に多数開発されており、代表的な試薬としてＣy5などがあげられる。蛍光スペクトルのピーク波長は、吸収スペクトルのピーク波長より数１０ｎｍ程度長波長側にあることが多い。Ｃy5の場合は吸収のピークが６４９ｎｍ、蛍光のピークが６７０ｎｍである。又蛍光のスペクトルは励起光のスペクトルによらず同様の形状となる。そのためレーザのような急峻なピークを持った光源を励起光として使用した場合でも、広帯域な光を励起光とした場合でも、その波長が吸収帯域にある限り蛍光のスペクトルの形状は同じになる。
【特許文献１】特開２００１−１９４３０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかるに従来のバイオチップの光学系においては、測定の対称となる試料のボリュームが小さいため光の利用効率が悪く、例えば投光した光の１％程度しか蛍光の発光に寄与していないという欠点があった。
【０００５】
本発明はこのような従来の問題点に鑑みてなされたものであって、光の利用効率を向上することにより微小なバイオチップにおいても十分な感度を有する蛍光分析を可能とするバイオチップの読取装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この課題を解決するために、本発明のバイオチップ読取装置は、ゲイン媒質と、一対の反射部によって形成され、その内部に前記ゲイン媒質を含む外部共振器と、前記外部共振器の内部の光の光路に配置されたバイオチップと、前記外部共振器内に設けられ、前記蛍光の波長とは異なる波長の光を選択し、前記外部共振器で発光するレーザ光の波長特性を決める光フィルタと、前記外部共振器の外に配置され、前記バイオチップから得られる蛍光を集光する集光レンズと、前記集光レンズによって集光された蛍光を受光する受光素子と、を有するものである。
【０００７】
ここで前記外部共振器内に、その外部共振器の一部となる光ファイバを含むようにしてもよい。
【０００８】
ここで前記光フィルタは、前記外部共振器の一方の反射部を構成し、前記バイオチップにより発光する蛍光を透過する波長特性を有するようにしてもよい。
【０００９】
ここで前記バイオチップの測定すべき領域に光を集束する第１，第２の集束レンズを更に有し、前記第１，第２の集束レンズは、前記バイオチップを挟んで両側に配置するようにしてもよい。
【００１０】
この課題を解決するために、本発明のバイオチップ読取装置は、光源と、前記光源からの光が導かれ、一対の反射部によって形成されたキャビティと、前記キャビティの内部の光の光路に配置されたバイオチップと、前記キャビティの外に配置され、前記バイオチップから得られる蛍光を集光する集光レンズと、前記集光レンズによって集光された蛍光を受光する受光素子と、を有するものである。
【００１１】
ここで前記バイオチップの測定すべき領域に光を集束する第１，第２の集束レンズを更に有し、前記第１，第２の集束レンズは、前記バイオチップを挟んで両側に配置するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
このような特徴を有する請求項１〜６の発明によれば、キャビティ構造を用いているため何度も光を試料に入射することができ、高感度でバイオチップの蛍光を検出することができる。又請求項１〜４の発明では、レーザの外部共振器と感度を上げるためのキャビティ構造とを一体化することによって、２つのキャビティを夫々設けた場合に比べてキャビティ間の調整を不要とし、高感度でバイオチップより発生する蛍光を検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態によるバイオチップ読取装置の構成を示す図である。本図においてレーザ光源のゲイン媒質１１は図示しない駆動部によって駆動されるものであり、左端部にミラー１２が接続され、右端は開放されている。ミラー１２は後述する外部共振器の一方の反射部となっている。ゲイン媒質１１の右端側方の光軸に沿って図示のようにレンズ１３が配置され、更にダイクロイックミラー１４が光軸に対して４５°の角度で配置されている。ダイクロイックミラー１４はレーザ光を反射し、レーザ光によって励起される蛍光を透過するもので、光フィルタとして機能する。そしてこのダイクロイックミラー１４で反射される光の光軸に沿って、第１の集束レンズ１５、バイオチップ１６、更に第２の集束レンズ１７とミラー１８を図示のように配置しておく。集束レンズ１５，１７はコリメートレンズ１３で平行となった光をバイオチップ１６の測定領域に集束するものであり、バイオチップ１６に対して互いに対称な位置に配置されている。又ミラー１８も反射部であり、ゲイン媒質１１の端部に設けられるミラー１２との間でキャビティ構造となってレーザの外部共振器を構成する。キャビティ構造では、光を多重反射させることによってバイオチップ１６に照射される光量を実効的に大きくすることができる。又この光軸上にはダイクロイックミラー１４を通過する位置に吸収フィルタ１９が設けられ、更にその上部には吸収フィルタ１９を透過した光を集束するレンズ２０が設けられる。吸収フィルタ１９は蛍光を透過させ、その他の光を遮断するフィルタであり、レンズ２０はバイオチップ１６より発生する蛍光を受光素子２１に集束するものである。
【００１４】
次にこの実施の形態の動作について説明する。光源のゲイン媒質１１を図示しない駆動部によって駆動すると、ミラー１２と１８との間で外部共振器が構成され、この間の光学長に応じたモード及び波長でレーザ光が発光する。図２はダイクロイックミラー１４の特性と発振波長及び蛍光の関係を示すグラフである。この図に示すようにミラー１２からミラー１８までの間の外部共振器長が例えば１０ｍｍであれば、波長６２５ｎｍ付近では２０ｎｍの波長幅に約１００本のピークが得られる。このピークは図中曲線Ａで示すダイクロイックミラー１４の波長特性で制限される。従って温度変化などで外部共振器長が変化したり、バイオチップ１６の基板の厚さの相違によりキャビティの光学系にわずかな変化があったとしても、そのレーザ光の波長特性の包絡線波形はダイクロイックミラー１４の波長特性のみで決定されるため、全体の形状に影響はない。そして集束レンズ１５，１７によってバイオチップ１６の測定領域にレーザ光を集束させることができる。
【００１５】
さて、このときバイオチップ１６の測定領域に所定の物質が存在する場合には、レーザ光に励起されて蛍光が発生し、図示の曲線Ｂで示すスペクトルで蛍光が発生する。尚図２の縦軸は曲線Ｂについては単に相対値を示すものである。この散乱光の一部は集束レンズ１５によって平行光に変換され、ダイクロイックミラー１４に入射する。蛍光の波長は図２に示すダイクロイックミラー１４の波長特性から長波長側にずれた波長となっているため、ダイクロイックミラー１４を透過する。そして更に吸収フィルタ１９を介してレンズ２０により受光素子２１に集束される。これによって高感度でバイオチップに存在する物質を検出することができる。この実施の形態では、レーザの外部共振器と感度を上げ多重反射のための多重キャビティ構造とを一体化することによって、２つのキャビティを夫々設けた場合に比べてキャビティ間の調整を不要とし、高感度でバイオチップより発生する蛍光を検出することができる。
【００１６】
尚この実施の形態においては、レーザ光と蛍光の部分は分離しているため、例えばゲイン媒質１１とミラー１２の間に空間を設け、この光の一部を取り出すことによってレーザ光を参照光としてモニタすることができる。又この実施の形態ではレンズ１６と１７とを測定点に対して対称な位置に配置しているが、レンズ１５，１７はバイオチップを挟んでその上下に配置され、バイオチップを透過した光を平行光とするものとすれば、必ずしも対称位置に配置する必要はない。又レンズ１７，ミラー１８に代えて凹面鏡を用いることもできる。
【００１７】
（第２の実施の形態）
次に本発明の第２の実施の形態によるバイオチップ読取装置について説明する。図３はバイオチップ読取装置の光学系を示す図である。本図において、図１と同一部分は同一符号を付して詳細な説明を省略する。この実施の形態では光フィルタ３１とゲイン媒質１１の端部に設けられるミラー１２との間で外部共振器を構成している。ここで光フィルタ３１は光軸に垂直に配置され、前述した図１のダイクロイックミラー１４と同一の特性を有するもので、レーザ発振器の反射部となっている。光フィルタ３１とミラー１２で形成される外部共振器の間には、前述した集束レンズ１５、バイオチップ１６及び集束レンズ１７を配置している。これによってレーザ光源の外部共振器を構成すると共に、キャビティ構造による多重反射を実現している。第２の実施の形態においてもゲイン媒質１１を駆動することによってレーザ発振が生じ、このときにバイオチップに特定の物質があれば、多重反射によりバイオチップから高レベルの蛍光を発生させることができる。蛍光は集束レンズ１５によって平行光に変換され、光フィルタ３１、吸収フィルタ１９、レンズ２０を介して受光素子２１で集光される。従って蛍光の有無によって試料の状態を判別することができる。
【００１８】
この実施の形態においては、第１の実施の形態に比べダイクロイックミラーが不要となるため、構成を簡略化することができる。
【００１９】
（第３の実施の形態）
次に本発明の第３の実施の形態によるバイオチップ読取装置について説明する。図４はバイオチップ読取装置の光学系を示す図であり、前述した各実施の形態と同一部分は同一符号を付して詳細な説明を省略する。この実施の形態ではゲイン媒質１１とミラー１２との間に光ファイバ３２を設けている。光ファイバ３２はこのミラー１２と光フィルタ３１との間で形成される外部共振器長を長くすることによって、光フィルタの特性内でのピーク数を大きくするものである。例えば外部共振器長は数百ｍｍとすることができる。例えば１００ｍｍの共振器長では６５７ｎｍ付近で０．０２ｎｍ以下の間隔のマルチモード発振が可能となり、光源の安定性を向上させることができる。この場合にもバイオチップ１６に所定の物質が存在する場合には蛍光が生じ、この蛍光が集束レンズ１５によって平行光に変換され、光フィルタ３１、吸収フィルタ１９を介して受光素子２１に加わる。これにより試料の状態を判別することができる。
【００２０】
（第４の実施の形態）
次に本発明の第４の実施の形態によるバイオチップ読取装置について説明する。図５はバイオチップ読取装置の光学系を示す図であり、前述した各実施の形態と同一部分は同一符号を付して詳細な説明を省略する。この実施の形態では光フィルタ３１と集束レンズ１５との間を第２の実施の形態より大きくしている。こうしてミラー１２と光フィルタ３１との間で形成される外部共振器長を長くすることによって、光フィルタの特性内でのピーク数を大きくするものである。例えば外部共振器長は数百ｍｍとすることができる。例えば１００ｍｍの共振器長では６５７ｎｍ付近で０．０２ｎｍ以下の間隔のマルチモード発振が可能となり、光源の安定性を向上させることができる。この場合にもバイオチップ１６に所定の物質が存在する場合には蛍光が生じ、この蛍光が集束レンズ１５によって平行光に変換され、光フィルタ３１、吸収フィルタ１９を介して受光素子２１に加わる。これにより試料の状態を判別することができる。
【００２１】
（第５の実施の形態）
次に本発明の第５の実施の形態によるバイオチップ読取装置について説明する。図６はバイオチップ読取装置の光学系を示す図である。本図において前述した各実施の形態と同一部分は同一符号を付して詳細な説明を省略する。この実施の形態でも光フィルタ３１と光ファイバ３２の端部のミラー１８との間で外部共振器を構成している。又光ファイバ３２を用いているため、外部共振器長を拡大することができる。この実施の形態では集束レンズ１５を省略することによって平行なレーザ光をバイオチップ１６に入射しており、光をバイオチップ１６の測定領域に集光させないようにしている。しかしこの実施の形態でも、多重反射をしているため、バイオチップに光が集光しなくても光の利用効率はそれほど低下することがなく、バイオチップ１６への光の入射位置のアライメントが容易になるという効果を得ることができる。又この例ではレンズ１５が不要となるため、光学系を簡略化することができる。
【００２２】
（第６の実施の形態）
次に本発明の第６の実施の形態によるバイオチップ読取装置について説明する。図７はバイオチップ読取装置の光学系を示す図である。本図において前述した各実施の形態と同一部分は同一符号を付して詳細な説明を省略する。この実施の形態ではゲイン媒質１１の端部にミラー１２と４１を設けてレーザ発振器を構成している。そしてミラー４１より出射されるレーザ光の光軸上にレンズ１３を配置し、更に光軸に沿って４５°の角度でダイクロイックミラー１４を配置する。そしてダイクロイックミラー１４で反射される位置に、半透過ミラー４２、集束レンズ１５、バイオチップ１６、集束レンズ１７を配置し、更にミラー１８を配置する。ここで半透過ミラー４２はレーザ光の一部を反射させるもので、ミラー１８との間でキャビティ構造が構成される。これによってバイオチップに入射するレーザ光を多重反射させることができる。又バイオチップ１６から出射した蛍光はレンズ１５を介して平行光となって半透過ミラー１４を透過する。そして吸収フィルタ１９、レンズ２０を介して受光素子２１に集光される。この場合にはレーザ光の共振器と多重反射のためのキャビティ構造とを分離しているため、キャビティ構造による光の利用効率を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明はバイオチップ読取装置において、高感度でバイオチップの試料の状態を判別することができ、バイオチップの検査を容易に行うことができる。従ってバイオチップの用途を拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１の実施の形態によるバイオチップ読取装置の光学系を示す図である。
【図２】本実施の形態によるダイクロイックミラーの特性及び蛍光の波長特性を示すグラフである。
【図３】本発明の第２の実施の形態によるバイオチップ読取装置の光学系を示す図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態によるバイオチップ読取装置の光学系を示す図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態によるバイオチップ読取装置の光学系を示す図である。
【図６】本発明の第５の実施の形態によるバイオチップ読取装置の光学系を示す図である。
【図７】本発明の第６の実施の形態によるバイオチップ読取装置の光学系を示す図である。
【符号の説明】
【００２５】
１１  ゲイン媒質
１２，１８，４１  ミラー
１３，１５，１７，２０  レンズ
１４  ダイクロイックミラー
１６  バイオチップ
１９  吸収フィルタ
２１  受光素子
３１  光フィルタ
３２  光ファイバ
４２  半透過ミラー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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