(57)【要約】【課題】共焦点光学系を備えたバイオチップを提供することで、低価格で小型なバイオチップ読取装置を提供する。【解決手段】本発明のバイオチップは、複数の試料を備えた基板と、前記基板の前記試料が備えられた面とは反対側の面に設けられた遮光部材とを有し、前記基板は、前記基板の各々に対応したレンズを備えており、前記遮光部材は、前記試料の各々に対応する開口を有し、前記試料と前記開口とが前記レンズを介して共焦点の関係にある。【選択図】　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の試料を備えた基板と、前記基板の前記試料が備えられた面とは反対側の面に設けられた遮光部材とを有するバイオチップであって、
前記基板は、前記試料の各々に対応したレンズを備えており、
前記遮光部材は、前記試料の各々に対応する開口を有し、
前記試料と前記開口とが前記レンズを介して共焦点の関係にあることを特徴とする、バイオチップ。
【請求項２】
前記基板は、屈折率の異なる複数の物質を積層して形成されることを特徴とする、請求項１に記載のバイオチップ。
【請求項３】
前記基板を形成する複数の物質のうち、前記試料と接する物質の屈折率が、前記試料の屈折率より大きいことを特徴とする、請求項２に記載のバイオチップ。
【請求項４】
前記基板の前記試料が備えられた面側に、前記試料を挟んで第１マイクロレンズアレイが配置されており、
前記第１マイクロレンズアレイは、前記試料の各々に対応する第１レンズを有し、
前記第１レンズの焦点は前記試料の位置に一致することを特徴とする、請求項１に記載のバイオチップ。
【請求項５】
前記試料が生物の遺伝情報を含んでいることを特徴とする、請求項１に記載のバイオチップ。
【請求項６】
請求項１に記載のバイオチップと、光源と、光源からの励起光を前記試料に集光するための対物レンズと、前記試料から前記基板側に発生して前記遮光部材の前記開口を通過した光を受光するための受光レンズと、前記励起光を遮断するための光学フィルタと、前記受光レンズおよび前記光学フィルタを通過した光を受光する受光器とからなるバイオチップ読取装置。
【請求項７】
請求項１に記載のバイオチップと、光源と、受光器とを用いた光検出方法であって、前記光源からの励起光を前記試料に照射することにより前記試料から発生した光のうち前記基板側に出射した光を、前記レンズにより集光し、前記試料の各々に対応するように前記遮光部材上に設けた開口を通過させて受光器により検出することを特徴とする、光検出方法。
【請求項８】
前記光源からの励起光の照射を停止したのち、前記受光器による光検出を行うことを特徴とする、請求項７に記載の光検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微弱な光の進行方向を所定の方向に制御する機能を有するバイオチップに関し、具体的には共焦点光学系を備えたバイオチップに関する。また本発明は、当該バイオチップを用いたバイオチップ読取装置および光検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガラスやシリコンなどの基板上に複数の試料を並べて固定化したバイオチップ（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）を用いた物性評価試験や定量試験では、蛍光あるいは化学発光の検出が行われることが多い。こうした微弱な光を検出する代表的な装置としては、共焦点光学系を用いたバイオチップ読取装置が挙げられる（例えば、特許文献１を参照のこと）。
【０００３】
共焦点光学系とは、結像する位置（合焦点位置）にピンホールを置くことで、合焦点以外からの光を一切排除し、コントラストの良い像を得るための光学系である。
【０００４】
共焦点光学系を用いた従来のバイオチップ読取装置２２は、図６に示すように、試料２３を備えたバイオチップ２４、対物レンズ２５、ビームスプリッター２６、ミラー２７、光学フィルタ２８、受光レンズ２９、共焦点ピンホール３０、受光器３１などから構成される。光源（図示されない）から出射される励起光３２をビームスプリッター２６で反射させて試料２３に照射すると、励起された試料２３から蛍光３３が発生する。その蛍光３３を、試料２３の上側に位置する対物レンズ２５で取り込み、ビームスプリッター２６を透過させ、ミラー２７により光学フィルタ２８に導き、受光レンズ２９により集光し、共焦点ピンホール３０によりノイズ光を除去して、受光器３１により検出する。化学発光検出の場合、励起光３２は照射されないが、試料２３から発せられた光が受光器３１により検出されるまでの過程は同様である。
このような共焦点型のバイオチップ読取装置は、検出光のＳＮ比が高いが、ノイズ光を低減させるための光学系が複雑かつ大型なので装置価格が高い。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−３１１６９０「バイオチップ読取装置及び電気泳動装置」
【発明が解決しようとする課題】
上述の事情に鑑み、本発明は、バイオチップ読取装置の小型化および低価格化を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかるバイオチップは、複数の試料を備えた基板と、前記基板の前記試料が備えられた面とは反対側の面に設けられた遮光部材とを有するバイオチップであって、前記基板は、前記試料の各々に対応したレンズを備えており、前記遮光部材は、前記試料の各々に対応する開口を有し、前記試料と前記開口とが前記レンズを介して共焦点の関係にあることを特徴とする。
このような構成のバイオチップは、事実上チップ内に共焦点光学系を有しているので、バイオチップ読取装置の複雑かつ大型な光学系を要しない。すなわち、上記バイオチップにより、基板上の励起された試料から発生した光のうち基板側に出射した光を、レンズにより集光させ、試料の各々に対応するように遮光部材上に設けた開口を通過させることができる。従って、上記バイオチップを用いて、励起光の照射と試料が発生する光の検出とを、基板を挟んで反対側で行うようにすれば、バイオチップ読取装置の小型化および低価格化が可能となる。
【０００７】
前記基板は、屈折率の異なる複数の物質を積層して形成しても良い。
このように基板を形成することで、内部にレンズ機能を有する基板を容易に形成することができる。
また、前記基板を形成する複数の物質のうち、前記試料と接する物質の屈折率を、前記試料の屈折率より大きくすると良い。
このように、試料と接する基板の材質として試料よりも屈折率が大きなものを選べば、試料から発生して基板側に進行する蛍光は基板の光入射面に対して法線の方向に屈折するため、基板と反対側に発生する蛍光よりも集光効率が良い。
【０００８】
前記基板の前記試料が備えられた面側には、前記試料を挟んで第１マイクロレンズアレイがさらに形成されており、前記第１マイクロレンズアレイは、前記試料の各々に対応する第１レンズを有し、前記第１レンズの焦点が前記試料の位置に一致するようにしても良い。
このように、バイオチップが第１マイクロレンズアレイを備えることで、光源からの光を試料に集光するための対物レンズが不要となり、装置を小型化することができる。
さらに、このような構成により励起光を各試料に効率良く集光することができるので、複数の試料を同時に精度良く励起することができる。
【０００９】
前記基板の前記試料が備えられた面とは反対側の面に、前記遮光部材を挟んで、第２マイクロレンズアレイが配置されており、前記第２マイクロレンズアレイは、前記開口の各々に対応する第２レンズを有し、前記第２レンズの焦点は前記開口の位置に一致するようにしても良い。
このように、バイオチップが第２マイクロレンズアレイを備えることで、遮光部材の開口を通過した光を受光する受光レンズが不要となり、装置を小型化することができる。
さらに、このような構成により各試料が発生した光を効率良く集光することができるので、複数の試料が発生する光を同時に精度良く検出することができる。
【００１０】
前記試料は、生物の遺伝情報を含んでいても良い。
生物の遺伝情報を含む試料を備えたバイオチップを用いることで、遺伝子配列の決定、特定遺伝子の有無の確認、ＳＮＰ（単一塩基多型）の解析、タンパク質の同定または機能解析などを行うことができる。
【００１１】
本発明のバイオチップ読取装置は、光源と、光源からの励起光を試料に集光するための対物レンズと、バイオチップと、前記試料から前記基板側に発生して前記遮光部材の前記開口を通過した光を受光するための受光レンズと、前記励起光を遮断もしくは減衰させるための光学フィルタと、前記受光レンズおよび前記光学フィルタを通過した光を受光する受光器とからなり、前記バイオチップは、複数の試料を備えた基板と、前記基板の前記試料が備えられた面とは反対側の面に設けられた遮光部材とを有するバイオチップであって、前記基板は、前記試料の各々に対応したレンズを備えており、前記遮光部材は、前記試料の各々に対応する開口を有し、前記試料と前記開口とが前記レンズを介して共焦点の関係にあることを特徴とする。
このような構成のバイオチップ読取装置は、バイオチップ内に共焦点光学系を有するので、従来の装置に比べて小型で低価格である。
【００１２】
本発明にかかる光検出方法は、上記バイオチップと、光源と、受光器とを用いた光検出方法であって、前記光源からの励起光を前記試料に照射することにより前記試料から発生した光のうち、前記基板側に出射した光を、前記レンズにより集光し、前記試料の各々に対応するように前記遮光部材上に設けた開口を通過させて受光器により検出することを特徴とする。
このように、共焦点光学系を備えたバイオチップを用いて、励起光の照射と試料が発生する光の検出とを、基板を挟んで反対側で行うことにより、従来の光検出装置のような複雑な光学系が不要となり、装置を小型化することができる。
【００１３】
上記光検出方法において、前記光源から励起光の照射を停止したのち、前記受光器による光検出を行っても良い。
このように、励起光の照射を停止した状態で試料が発生する光の検出を行うことにより、励起光がノイズ光として検出されることはないので、ＳＮ比が飛躍的に向上する。
【００１４】
【詳細な説明】
以下、本発明の好適な実施形態を、蛍光を検出する場合を例に、図面を参照しながら詳しく説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置などは説明例に過ぎず、特に記載がない限りこの発明の範囲をそれらに限定する意図はない。また、各図面は模式図であり、構成要素の屈折率の相異を考慮して描かれてはいない。
【００１５】
図１は、本発明の一つの実施形態にかかるバイオチップ読取装置１を示す。バイオチップ読取装置１は、光源２、対物レンズ４、バイオチップ５、受光レンズ６、光学フィルタ７、および受光器８から構成される。
【００１６】
まず、図２により、バイオチップ読取装置１で使用されるバイオチップ５ａの細部を説明する。バイオチップ５ａにおいて、基板１１は、屈折率の異なる物質１２および１３から形成され、基板１１の表面上には試料９が備えられている。ここで、物質１２と１３との境界面は、試料９の各々に対応したレンズ１２０を有するマイクロレンズアレイを形成している。望ましくは、各レンズ１２０の有効半径は試料の配置間隔に等しい。さらに、基板１１の試料９が備えられた面とは反対側の面には遮光部材１４が形成され、遮光部材１４には各試料に対応した開口１５が設けられている。ここで、試料９と開口１５は、物質１２および１３から形成されるマイクロレンズアレイを介して共焦点の関係にある。
【００１７】
次に、バイオチップ読取装置１の動作を説明する。光源２からの励起光３は、対物レンズ４で集束されて、基板１１上の試料９に照射される。試料９は励起光３を吸収して、蛍光１０を発生する。蛍光１０は、励起光３とは異なる波長特性を有する。試料９から発生した蛍光１０は、バイオチップ５ａ内に物質１２および１３により形成されたマイクロレンズアレイによって屈折作用を受ける。このとき、試料９と開口１５は共焦点の関係にあるので、蛍光１０は遮光部材１４の開口１５を通過する。ここで、励起光３も同様にレンズの屈折作用によって開口１５を通過するので、受光レンズ６と受光器８との間に波長選択特性を有する光学フィルタ７を設け、蛍光１０を透過させ、励起光３を透過させないようにする。光学フィルタ７を透過した蛍光１０は、受光器８で検出される。
ここで、光学フィルタとは、特定の波長の光を透過させるかまたは吸収もしくは反射することにより遮断する機能を有する波長選択素子をいう。
【００１８】
このように、本発明のバイオチップは、従来のバイオチップと違い、試料から発生した蛍光のうち基板側に発生した蛍光を検出するための構成となっている。図６に示すような従来の共焦点型バイオチップ読取装置を用いて基板と反対側に発生する蛍光を検出する場合、検出される光の量は、対物レンズ２５の開口数（ＮＡ）に依存してわずかである。一方、本発明に従って基板側に発生した蛍光を検出する場合、基板の材質として試料よりも屈折率が大きなものを選べば、基板側に進行する蛍光は基板の光入射面に対して法線の方向に屈折するため、基板と反対側に発生する蛍光よりも効率良く集光することができる。
ここで、試料の屈折率は１．３３〜１．５０程度であるから、例えば、試料の屈折率が１．４であるとき、基板の材料として屈折率が１．６程度の樹脂を選択すれば、蛍光の屈折角は約６０度となり、集光効率が良い。従って、基板に用いる材料としては、透明で屈折率が大きなガラスや樹脂などが相応しい。
【００１９】
基板内部に形成するレンズの曲率および基板の厚みは、試料および基板の屈折率に応じて、蛍光の集光効率が最適となるように選択される。
【００２０】
基板１１は、屈折率の異なる複数の樹脂により形成されても良いし、樹脂層と空気層とで形成されても良い。空気の屈折率は１であるから、屈折率の大きな樹脂層を組み合わせるとＮＡの大きなレンズを形成することができ、より多くの蛍光を検出することができる。
【００２１】
図３は、本発明にかかる別のバイオチップ５ｂを示す。図３に示すように、基板１１は、２つ以上のマイクロレンズアレイを光軸方向に積層した構成であっても良い。ここで、物質１６および１８の屈折率は同じであっても良いし、異なっていても良い。
このように２つ以上のマイクロレンズアレイを積層することにより、レンズの合成ＮＡを大きくすることができるので、より多くの蛍光を検出することができる。
【００２２】
図４は、本発明のさらに別の実施形態にかかるバイオチップ読取装置１９を示す。バイオチップ読取装置１９は、バイオチップが備える複数の試料に一度に励起光を照射し、各試料が発生した光を同時に検出することを特徴とする。図５に、バイオチップ読取装置１９に使用されるバイオチップ５ｃの細部を示す。
【００２３】
バイオチップ５ｃは、バイオチップ５ｂの構成に加えて、基板１１の試料１０が備えられた面側にスペーサ２１を介して第１マイクロレンズアレイ２０を備える。ここで、第１マイクロレンズアレイ２０は、試料の各々に対応する第１レンズ２００を有し、第１レンズ２００の焦点は前記試料の位置に一致する。
【００２４】
このように、バイオチップ５ｃが第１マイクロレンズアレイ２０を備えることで、光源からの励起光３を試料に集光するための対物レンズが不要となる。即ち、第１マイクロレンズアレイ２０により、励起光３は各試料１０の位置に効率良く集光されるので、複数の試料１０を同時に精度良く励起することができる。対物レンズを用いる場合には、焦点位置を各試料に合わせる必要があるが、第１マイクロレンズアレイ２０が備えられている場合は、第１レンズ２００の焦点が各試料の位置に一致しているので焦点位置を調節する必要がない。
【００２５】
さらに、図示しないが、基板の試料が備えられた面とは反対側の面に、遮光部材を挟んで第２マイクロレンズアレイを備えても良い。第２マイクロレンズアレイは、遮光部材の開口の各々に対応する第２レンズを有し、第２レンズの焦点は前記開口の位置に一致するようにする。
このように、バイオチップ５ｃが第２マイクロレンズアレイを備えることで、各試料が発生した光は効率良く集光されるので、複数の試料が発生する光を同時に精度良く検出することができる。受光器としては高感度ＣＣＤカメラなどが用いられる。
【００２６】
従って、バイオチップ５ｃを用いれば、複数の試料を同時に励起し、複数の試料が発生する光を同時に検出することができるので、基板を走査する必要がない。
ただし、バイオチップ５ｂに第１マイクロレンズアレイ２０および第２マイクロレンズアレイを設ける際には、精度の高い位置合わせが必要である。位置合わせにはアラインメントマークを用いる。
【００２７】
第１マイクロレンズアレイ２０の第１レンズ２００は、空気と接触していても良いが、屈折率の異なる樹脂を用いてレンズ表面を平坦化しても良い。そうすれば、レンズ表面を粉塵から保護することができると同時に取り扱いが容易となる。
【００２８】
以上の実施例においては、基板が備えるレンズとして、屈折率の異なる複数の物質を積層して形成したマイクロレンズアレイの例を示したが、屈折率分布型レンズ（ＧＲＩＮレンズ）を配列したＧＲＩＮレンズアレイとしても同様の効果が得られる。
【００２９】
本発明にかかる光検出方法は、以上で説明したバイオチップと、光源と、受光器とを用いた光検出方法であって、光源からの励起光を試料に照射し、励起された試料から発生した光のうち、基板側に出射した光を、チップ内部のレンズにより集光し、試料の各々に対応するように遮光部材上に設けた開口を通過させて受光器により検出することを特徴とする。
このように、共焦点光学系を備えたバイオチップを用いて、励起光の照射と試料が発生する光の検出とを、基板を挟んで反対側で行うことにより、従来の光検出装置のような複雑な光学系が不要となり、装置を小型化することができる。
【００３０】
さらに、上記光検出方法において、光源からの励起光の照射を停止したのち、受光器による光検出を行えば、励起光がノイズ光として検出されることはないので、ＳＮ比が飛躍的に向上する。また、光検出装置において励起光を除去するための光学フィルタは不要となり、装置を小型化することができる。
【００３１】
以上、蛍光を検出する場合を例に説明したが、化学発光を検出する場合においても本発明にかかるバイオチップにより同様の効果が得られることは明白である。
【００３２】
本発明の光検出方法は、遺伝子配列の決定、特定遺伝子の有無の確認、特定遺伝子の発現レベルの測定、ＳＮＰ（単一塩基多型）の解析、実験用マウスに投与した物質の代謝・吸収・排泄の経路または状態の確認、細胞内のイオン濃度測定、タンパク質の同定または機能解析などに用いることができる。また、個人の健康状態を判別する健康診断や個人セキュリティーのための検査などにも応用することができる。
【発明の効果】
本発明にかかるバイオチップは、例えば、複数の試料を備える基板を屈折率の異なる物質を積層して形成することで、基板にレンズ機能を持たせている。さらに、基板の試料が備えられた面とは反対側の面に、試料の各々に対応する開口を有する遮光部材を設けることでチップ内部に共焦点光学系を備える構成とした。本発明のバイオチップを用いて、励起光の照射と試料が発生する光の検出とを、基板を挟んで反対側で行えば、従来の複雑かつ大型な光学系が不要となり、バイオチップ読取装置の小型化および低価格化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態にかかるバイオチップ読取装置を示す。
【図２】本発明の実施形態にかかるバイオチップ読取装置の要部を示す。
【図３】本発明の別の実施形態にかかるバイオチップを示す。
【図４】本発明の別の実施形態にかかるバイオチップ読取装置を示す。
【図５】本発明の別の実施形態にかかるバイオチップ読取装置の要部を示す。
【図６】従来の共焦点型バイオチップ読取装置を示す。
【符号の説明】
１、１９、２２　バイオチップ読取装置
２　　　　　　　光源
３、３２　　　　励起光
４、２５　　　　対物レンズ
５、２４　　　　バイオチップ
６、２９　　　　受光レンズ
７、２８　　　　光学フィルタ
８、３１　　　　受光器
９、２３　　　　試料
１０、３３　　　　蛍光
１１　　　　　　　基板
１４　　　　　　　遮光部材
１５　　　　　　　開口
２０　　　　　　　第１マイクロレンズアレイ
２１　　　　　　　スペーサ
２６　　　　　　　ピームスプリッタ
２７　　　　　　　ミラー
３０　　　　　　　共焦点ピンホール
１２０　　　　　　レンズ
２００　　　　　　第１レンズ
【図１】
2004138420.tif 000003
【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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