(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
蛍光測定器および熱サイクラーの組合わせであって、
（ａ）複数の低発熱光源、
潜在的蛍光発生試料を収容している複数の容器を前記光源と光学的な連絡状態に位置決めする手段であって、前記光源は前記容器と同数存在し、前記容器が定位置にあるときに各光源が前記容器の１個と対応している前記位置決め手段、
前記光源から前記対応している容器に光を向けるための第１の光路手段、
前記位置決めされた容器内の試料と光学的に連絡している光信号感知手段であって、前記光信号感知手段の数が前記光源の数よりも少ない、光信号感知手段、及び
試料からの放射光を前記光信号感知手段に案内するための第２の光路手段
を備えた蛍光測定器、ならびに
（ｂ）熱サイクラー
を備える組合わせ。
【請求項２】
各光源から作られた光の中の励起波長の透過を許するための前記第１の光路手段中の励起フィルター；及び
試料からの放射光の透過を許しかつ前記放射光の波長以外の波長の透過を実質的に阻止するための前記第２の光路手段中の放射フィルター
を更に備えた請求項１の蛍光測定器および熱サイクラー組合わせ。
【請求項３】
前記低発熱光源が発光ダイオードである請求項１の蛍光測定器および熱サイクラー組合わせ。
【請求項４】
前記発光ダイオードが青であり、そして潜在的蛍光発生試料が青色光により励起し得る試料を含む請求項３の蛍光測定器および熱サイクラー組合わせ。
【請求項５】
前記容器が試料管を備える請求項３の蛍光測定器および熱サイクラー組合わせ。
【請求項６】
位置決め手段が試料管ホルダー又はマルチプレートである請求項５の蛍光測定器および熱サイクラー組合わせ。
【請求項７】
試料管又はマルチプレートのウェルが８×１２のアレイを形成し、そして光源が対応するアレイに配列される請求項６の蛍光測定器および熱サイクラー組合わせ。
【請求項８】
発光ダイオードからの出力を均一化するための手段を更に備える請求項３の蛍光測定器および熱サイクラー組合わせ。
【請求項９】
均一化手段がシリコンフォトダイオード及び組み合わせられたフィー
ドバック回路を備える請求項８の蛍光測定器および熱サイクラー組合わせ。
【請求項１０】
均一化手段が校正用蛍光体及び発光ダイオードを備える請求項８の蛍光測定器および熱サイクラー組合わせ。
【請求項１１】
前記光信号感知手段が、光倍増管、ＣＣＤカメラ、真空フォトダイオード、及びアバランシェフォトダイオードよりなるグループから選ばれる請求項１の蛍光測定器および熱サイクラー組合わせ。
【請求項１２】
前記光信号感知手段が光倍増管である請求項１１の蛍光測定器および熱サイクラー組合わせ。
【請求項１３】
前記光信号感知手段がＣＣＤカメラである請求項１１の蛍光測定器および熱サイクラー組合わせ。
【請求項１４】
前記光信号感知手段を校正する手段を更に備える請求項１の蛍光測定器および熱サイクラー組合わせ。
【請求項１５】
前記校正手段が
（ａ）励起された試料の近似の波長を放射する発光ダイオード、及び
（ｂ）組み合わせられたフィードバック回路
を備える請求項１４の蛍光測定器および熱サイクラー組合わせ。
【請求項１６】
前記低発熱光源の各に電力を供給する手段を更に備える請求項１の蛍光測定器および熱サイクラー組合わせ。
【請求項１７】
前記第１の光路手段が少なくも１個のレンズを備える請求項１の蛍光測定器および熱サイクラー組合わせ。
【請求項１８】
前記レンズがフレネルレンズである請求項１７の蛍光測定器および熱サイクラー組合わせ。
【請求項１９】
前記フレネルレンズが画素化される請求項１８の蛍光測定器および熱サイクラー組合わせ。
【請求項２０】
前記画素化されたフレネルレンズが約２０３.２から約３８１μｍ
の厚さの範囲である請求項１９の蛍光測定器および熱サイクラー組合わせ。
【請求項２１】
第１の光路手段が複数の個別レンズを備え、１個のかかるレンズが各前記光源に隣接する請求項１６の蛍光測定器および熱サイクラー組合わせ。
【請求項２２】
第１の光路手段が複数の個別レンズを備え、１個のかかるレンズが各位置決めされた容器に隣接する請求項１６の蛍光測定器および熱サイクラー組合わせ。
【請求項２３】
前記第１の光路手段が少なくも１個の反射器を備える請求項１の蛍光測定器および熱サイクラー組合わせ。
【請求項２４】
前記放射フィルターが前記光信号感知手段に隣接して位置決めされる請求項２の蛍光測定器および熱サイクラー組合わせ。
【請求項２５】
蛍光発生試料からの放射光を約４５゜の円錐内側角度に制限するために、前記放射フィルターが前記光信号感知手段から十分に間隔を空けられる請求項２の蛍光測定器および熱サイクラー組合わせ。
【請求項２６】
複数の光ファイバーを備え、各容器に１個の光ファイバーを備え、これを通る蛍光発生試料からの放射光が前記放射フィルターを通って前記光信号感知手段に透過される請求項２の蛍光測定器および熱サイクラー組合わせ。
【請求項２７】
蛍光測定器の少なくも一つの機能を制御するためのプログラマブル制御手段を更に備える請求項１の蛍光測定器および熱サイクラー組合わせ。
【請求項２８】
各蛍光発生試料からの蛍光を測定するための手段を更に備え、前記測定手段が前記光信号感知手段と電気的に連絡している請求項１の蛍光測定器および熱サイクラー組合わせ。
【請求項２９】
熱サイクラーが
（ａ）前記複数の容器を密な接触に保持している熱管理されたベースであって、前記複数の容器は複数の試料管または試料ウェルを備え、前記試料管または試料ウェルは各々キャップを備える前記ベース、
（ｂ）各前記容器に対応している複数の開口を有する熱管理されたカバーであって、前
記カバーは作動状態において各前記容器を機械的に前記密な接触に強制し、各前記開口が対応する前記キャップから外向きに伸びている前記カバー、及び
（ｃ）選定されたプロトコールに従って前記容器の温度を制御するためのプログラマブル制御手段
を備える請求項１の蛍光測定器及び熱サイクラー組合わせ。
【請求項３０】
前記開口が、約１０゜の夾角で光信号感知手段に向かって外向きに伸びる請求項２９の蛍光測定器及び熱サイクラー組合わせ。
【請求項３１】
各前記開口が、放物線状反射器として形成される請求項２９の蛍光測定器及び熱サイクラー組合わせ。
【請求項３２】
前記容器が、蛍光測定器の位置決め手段内に一体に形成される請求項２９の蛍光測定器及び熱サイクラー組合せ。
【請求項３３】
ポリメラーゼ連鎖反応で増幅された材料を解析するための方法であって、
ポリメラーゼ連鎖反応による増幅に供された試料材料を、請求項１の蛍光測定器及び熱サイクラーの組合せの光源と光学的連絡状態に位置決めし、
試料材料を励起波長に暴露させ、
放射光を光信号感知手段により検出し、そして
放射光のレベルを所定の基準レベルと比較する
諸段階を含む方法。
【請求項３４】
融解曲線データを収集し、そして、既知のＤＮＡ配列による教示に関する検査されたＤＮＡ配列を予測するアルゴニズムに従って未知のＤＮＡを識別することを更に含む請求項３３の方法。
【請求項３５】
試料材料が、１サイクルよりなる選定ＤＮＡのアニール／変性の温度範囲への暴露により増幅される請求項３４の方法。
【請求項３６】
試料材料が、複数サイクルよりなる選定ＤＮＡのアニール／変性の温度範囲への暴露により増幅される請求項３４の方法。
【請求項３７】
検出された放射光が、プログラマブル手段と組み合う光源の出力を均一化するための手段にかけられる請求項３３の方法。
【請求項３８】
均一化手段が、
（ａ）シリコンフォトダイオード及びその組み合わせられたフィードバック回路を備え、更に
（ｂ）シリコンフォトダイオードが光源の各からの光の到達可能である、位置に置かれる
請求項３７の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】
本発明は、装置、特に蛍光を検出しかつ測定するための装置、より特別にはポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）に基づく効力検定における使用を含んだ種々の用途に関連して有用な蛍光測定器に関する。
【０００２】
【発明の背景】
多くの反応は、適切な励起波長により照明されたときの蛍光の発生又はレベル変化により特徴付けられる。この形式の反応において、蛍光発生（Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ）試料は、与えられた波長の光を吸収し、これに応じて異なった波長の光を放出する。
【０００３】
蛍光は、含まれる反応物に固有であり又は反応物質に組み入れられた適切なマーカーにより注意深く提供することができる。従って、蛍光を測定する装置、蛍光測定器は、実験室環境に常置される。
【０００４】
多くの独立型蛍光測定器及びその他の装置と組み合わせられた蛍光測定器には種々の難点がある。第１に、大量の熱を発生することなしに非常に強い光を得ることが困難である。同様に、タングステン光及び同等の光は、安定状態にさせかつこの状態での作動を連続させねばならないため、これも大量の熱を発生する。この大量の熱は、ランプの寿命を短くする可能性があり、更に試料の温度を上げてその蛍光放出特性を変化さる可能性があるため、これを放散させねばならない。従って、この形式の装置は光源のための大きい冷却を必要とし、更にかかる光源は頻繁な交換が必要である。
【０００５】
更に、一群の試料を同時に検査し得る装置については、試料間の逸れにより大量の励起光エネルギーが失われる。これが励起効率を押し下げる。
【０００６】
その他の蛍光測定器は十分な感度に欠けるか、或いは多くの目的について非実用的であるほど高価であるかのどちらかである。例えば、ハロゲン光源を有する蛍光測定器は適切な感度を持たない。この形式の蛍光測定器は、典型的な電荷結合素子（ＣＣＤ）タイプのカメラが使用された場合、全ての試料が照射されかつ同時に画像化されるのでダイナミックレンジが限定される。レーザー光源型の蛍光測定器は、よい性能を持つことができるが、レーザー光源は、より高価である。
【０００７】
多くのプロトコールは、特に微生物学の広い分野において、繰り返し管理される温度管理体制を必要とする。この要求を満たす装置は「熱サイクラー」と呼ばれる。反応を示すために蛍光測定に依存した結果の受容を容易にするように熱サイクラーと蛍光測定器とを組み合わせることが有用である。熱サイクラーを利用する一プロトコールは、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）である（米国特許４，６８３，２０２号参照）。ＰＣＲの終わりに増幅が生じたか否かを判定するために、指示薬として蛍光染料、特に、二重鎖ＤＮＡに結合されるが、単鎖に結合されず、又は非常に不十分に結合されかつ単鎖の存在の信号を持たないか又は僅かしか持たない場合に蛍光を発するインターカレート染料を使うことができる。
【０００８】
ある種の市場で入手可能な蛍光測定器／熱サイクラーは、反応管の標準の９６個ウェルトレイを受け入れることができ、更に、明確な反応を示すために、トレイを照明しかつその中の蛍光染料を励起するために光学系を通じて光を投影する１個の強力な白熱光源を使用する蛍光測定器を備える。別に市販の装置は、白熱光源の代わりのレーザー、及び反応管から光ファイバーのケーブルを介してフォトダイオードのアレイ上に至る信号を分離するための機械式の走査装置を使用する。
【０００９】
図１は、ある市販の装置と同様なシステムを図式的に示す。これは、ハロゲン投射ランプである白熱光源、ランプ１を使用する。冷却は、ファン（図示せず）により与えられる。光出力は、測定がなされていないときはシステムを遮蔽するように図示されない手段により作動されるシャッター２を通過する。光は、試料プレート（図示せず）の全体に向けて指向され、試料管は、加熱／冷却用のブロック３に密に接触しかつデータ蓄積システム（図示せず）と協動している試料プレート１０内に保持される。このシステムに使用される標準のプレート、又は「トレイ」は９６個の管を保持する。指向された光ビームは励起フィルター４を通過する。フィルター４からの濾波された光は、光を試料トレイ領域に制限するための長方形の開口５を通過する。ビームスプリッター６が、光をビーム方向変更用ミラー７に向けて反射させる。次いで、この光は、フレネルレンズ８に向けられる。フレネルレンズ８は、プレート９に取り付けられかつプレート１０により支持された試料管１個当たり１個のレンズの個々のレンズの上に向ける。光が試料物質に当たると、放出された光はスプリッター６を通過し、次いで放射フィルター１１、レンズ１２を通過してＣＣＤカメラ１３上に至る。ＣＣＤカメラ１３は、試料トレイ全体の画像を獲得する。この画像から各試料管の蛍光の強度を計算するためにコンピュータープログラムが使用される。ＣＣＤカメラにより測定された出力は、個々の試料管内の反応を示す。
【００１０】
市場で入手可能な別のシステムは、光源としてアルゴンイオンレーザーを使用する。このシステムにおいては、アルゴンイオンレーザーからの光はダイクロイックミラー、レンズ及び９６ウェルプレートの各ウェルについて１個の光ファイバーケーブルが設けられたマルチプレクサーを通過する。励起光はミラーに戻り、分光写真機内に反射される。この分光写真機は、光を、リニヤーＣＣＤ検知器に落ちるパターンに分離する。光路には適切なファイバーが備えられる。
【００１１】
別の市販のシステムが、特に図１ａに図式的に示される。この装置は、「微小体積分光測定器」と熱サイクラー１２０とを組み合わせる。この装置の光源は、１個の発光ダイオード（ＬＥＤ）１００であり、これは、光を、レンズ及びフィルター１０２を経てダイクロイックミラー１０３に、読取り用レンズ１０４に、更に反応管１０６の底部に投射する。３６個の反応管が回転台１０８内に保持され、この回転台は、各管が次々と読取り用レンズ１０４の上に置かれるようにモーター１１０によりステップ状に動かされる。得られた放射は、ミラー１０３から、及びダイクロイック色選択ミラー１１４の一つからレンズ１１６を通ってフォトハイブリッド（ｐｈｏｔｏｈｙｂｒｉｄ）１１８の一つに反射する。次いで、信号は組み合わせられたコンピューター及びプリンター（図示せず）において処理される。サイクラー１２０は、コンピューター内のプログラムにより指示されたように空気を加熱し又は冷却するファンモーター及び組み合わせられたファンブレード１１２及びヒーターコイル１２２を使用して空気により冷却され加熱される。モーター１２４は、光学系を要求されたように位置決めする。このシステムは、管を蛍光測定システムに向けるために複雑な位置決め機構を必要とするため、標準の８×１２トレイには不適でありかつ高価である。
【００１２】
上述の諸問題の点から見て、単純な位置決め機構を有し、又は位置決め機構なしの安価な蛍光測定器を提供することに対する要求がある。更に、最小の動力を使用する発熱量の小さい光源を特徴とする蛍光測定器であって、かつ励起エネルギーの廃棄を無くす蛍光測定器に対する要望がある。また速やかに安定する光源を提供することも要求される。更に、改良された信号対ノイズ比を有する高感度蛍光測定器に対する要求が存在する。
【００１３】
【発明の概要】
本発明は、
複数の低発熱光源；潜在的蛍光発生試料を収容している複数の容器を前記光源と光学的な連絡状態に位置決めする手段であって、前記容器が定位置にあるときに各光源が前記容器の１個と対応している前記位置決め手段；前記光源から前記対応している容器に光を向けるための第１の光路手段；各光源より作られた光から励起波長の透過を許すための前記第１の光路手段中の選択的な励起フィルター；前記位置決めされた容器内の適宜の蛍光発生試料と光学的に連絡している光信号感知手段；適宜の蛍光発生試料からの放射光を前記光信号感知手段に向けるための第２の光路手段；及び適宜の蛍光発生試料からの放射光の透過を許しかつ前記放射光の波長以外の波長の光の透過を実質的に阻止するための前記第２の光路手段中の選択的な放射フィルターを備える
蛍光測定器に関する。
【００１４】
本発明は、容器が試料管であり、熱サイクラーと組み合わせられた上述の蛍光測定器を備えた蛍光測定器及び熱サイクラー組合せであって、前記熱サイクラーは、各ウェルがキャップをされた試料管又は一体化された管／ホルダーの管部分を密な接触状態に保持できる複数のウェルを有する熱管理されたベース；各試料管に対応する複数の開口を有する熱管理されたカバーであって、作動状態においては各前記試料管のキャップを前記密な接触状態に機械的に強制する前記カバーを備え、各前記開口は前記キャップから外向きに伸びており、更に選定されたプロトコールに従って前記試料管の温度を制御するためのプログラマブル制御手段を備える前記蛍光測定器及び熱サイクラー組合せにも関する。
【００１５】
本発明は、更に、ポリメラーゼ連鎖反応で増幅された材料からの蛍光信号を検出するための方法であって、材料を上述の本発明の蛍光試験器の光源との光学的連絡状態に位置決めし、材料を励起波長に暴露させ、放射光を光信号感知手段により検出し、そして放射光のレベルを所定の基準レベルと比較する諸段階を備えた方法に関する。
【００１６】
【発明の詳細な記述】
上述の諸難点を避けるために、本発明の蛍光測定器は、好ましくは光源として複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）を使用する。ＬＥＤの使用により、大量の熱の発生はなく、これにより試料の加熱を最小とし熱放散の問題を容易にし、更に光源の寿命を延ばす。加えて、容器の内部に光を指向させるようにして試料容器と光源との１対１の対応を提供することにより、励起エネルギーの廃棄を大きく無くし、最小電力を使用する光源の使用ができる。
【００１７】
第１及び第２の光路手段の構成要素の有利な配列に加えて、本発明は、複数の潜在的蛍光試料に対して、同数の低発熱量光源があり、光源のどの１個の出力も、光学系内の特定の対応して位置決めされかつ潜在的蛍光試料の入っている容器に割り当てられるという便益も持ち、この光学系においては、光信号感知手段により試料管トレイのような位置決め手段を見ることが可能である。
【００１８】
本発明は、複数の低発熱光源、潜在的蛍光試料を入れるための複数の容器を複数の光源と光連絡するように位置決めするための手段を備え、各光源は前記容器が定位置にあるときに前記容器の１個と対応し、更に前記光源から前記対応している容器に光を案内する第１の光路手段、各光源で作られた光から励起波長の透過を許すための前記第１の光路手段内の励起フィルター、前記位置決めされた容器内の蛍光試料と光連絡している光信号感知手段、蛍光試料からの放射光を前記光感知手段に指向させるための第２の光路手段、及び蛍光試料からの放射光の透過を許しかつ前記放射光の波長以外の波長の光の透過を実質的に阻止するための前記第２の光路内に放射フィルターを備えた蛍光測定器に関する。
【００１９】
図２に示されるように、本発明の蛍光測定器は、複数の低発熱光源２０を備える。「低発熱」は、ファンによるような光源の能動的な冷却が必要とされるレベル以下を意味する。かかる低発熱光源は、一般に作動させるために低い電力又は最小電力を使うだけである。使用される光源は、試料内の表示薬を励起し得る波長を放出することができる。各光源は、かかる光源及び光源に対応する試料入り容器が蛍光測定器内のかかる光連絡の生ずる位置に置かれたとき、潜在的蛍光試料と光連絡する。本発明における使用に適した光源は、レーザー発光ダイオード及発光トダイオードを含んだ固体光源である。好ましい光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）である。本発明の好ましい実施例においては、ＬＥＤはブルーＬＥＤである。ＮＳＰＢ５００Ｓ  ＬＥＤは、Nichia Corp.(3775 Hempland Road,Mountville,PA 17554)より入手可能であり、そして本発明に適したＬＥＤである。ブルーＬＥＤは、インターカレート染料ＳＹＢＲグリーン（Molecular Probes,Inc.,4849 Pitchford Ave.Eugene、OR 97402より入手可能）が、青の励起波長に感度がよいため好ましい。試料物質中に別の蛍光材料が使用される場合は、所与の染料を励起するであろう別のＬＥＤ光源の色及び励起フィルターに切り替えることは簡単である。
【００２０】
本発明の低発熱光源は、光源に対応して位置決めされた容器内にある潜在的蛍光試料に適切な出力を提供できる。これは、本発明においては、光は位置決めされた容器間の空間において廃棄されないためである。各容器に対して、１対１の対応で１個の低発熱光源が提供される。低発熱光源のアレイがある。低発熱光源２０のアレイの代表例を、図２に見ることができる。
【００２１】
図２、３、４、５、１０、１３、１４、１５ａ、１５ｂ、及び２０に示されるように、光源２０を取り付け又は支持するために光源ホルダー２１を使うことができる。以下詳細に説明される本発明の蛍光測定器及び熱サイクラー組合せに対しては、図７に示されるように、ＬＥＤのアレイのような光源２０を支持するために、光源支持板２２１を使用することができる。光源は、かかるホルダー又は支持具のドリル孔内に保持することができ、更に、図７に例として示されたレンズ３８の中心のような第１の光路手段内の特定の光学素子に向かって注意深く狙いをつけた後、セメント、又はその他の適切な接着剤で保持することができる。図２０においては、光源の取付手段用の別の実施例が示される。光源２０、好ましくはＬＥＤを、光源ホルダー２１の穴２３内に押し込み適合させることができる。これが、平滑でありかつ光源２０の軸線に直角なフランジ６６の内側部分を、光源ホルダー２１の面に対して正しく直角に位置決めする。軟質のゴム又はその他の弾性体６０のシートが光源２０の他方の側を覆う。このシートは、各光源２０の２個の電線（図示せず）が通過して回路板６２の穴に入り得るように穴が空けられる。この組立体は、固定具６４の圧力下で保持することができる。この組立体を準備するために、コンピューターの部品となし得るＰＣのような回路板６２の頂面上にシート６０が置かれる。光源２０のリード線は、シート６０を通して回路板６２内に挿入され、回路板６２は、各光源２０がそれの穴２３の中にあるように光源ホルダー２１の上方に置かれる。固定具６４が挿入され、そして回転力を加えられる。次いで、リード線が回路板６２に半田付けされる。この実施例は光源２０をしっかりと取り付ける。光源ホルダー２１の適正な取付けが、光源２０の照準合わせを確実なものとする。
【００２２】
低発熱光源の取付けは、設計の意図に適するように望まれた各光源間の間隔の合理的な比率を提供するように調節することができる。低発熱光源及びこれらに対応する容器の両者に対して対称的な間隔配列が使用されることが望ましい。各光源間の距離を等しくすることができる。しかし、この等距離は、便宜上のみのものであり、市販の９６試料管ホルダーを、この蛍光測定器における位置決め用手段として使うことができる。
【００２３】
この蛍光測定器は、低発熱光源の各に電力を与えるための手段を更に備える（例えば、図９ｃ参照）。各光源は、これを電源に取り付けることにより簡単に給電することができ。或いは、各光源は、コンピューターのようなプログラマブル制御手段により選定されたシーケンスで給電することができる。電力供給手段は、各光源に逐次的に、同時に、不規則に、或いはこれらの適宜の組合せで電力を供給することができる。容器の数が光源の数より少ない場合は、これはプログラマブル制御手段により容易に対応でき、これにより、位置決め手段内の容器のない位置に相当する光源は、電力を供給されないか及び／又は感知されるそれの光信号を持たないかである。ＬＥＤアレイを駆動する別の方法は、クロスポイントスイッチ配列を使用することである。縦列の各ＬＥＤのアノードが並列に接続される。横列の各ＬＥＤのカソードも並列に接続され、希望の縦列と横列とを選ぶことにより１個のＬＥＤが点灯する。縦列信号は、正の供給電圧に接続されたＰＮＰトランジスターにより切り替えられる。横列の信号は、接地されたＮＰＮトランジスターにより切り替えられる。
【００２４】
図９ｂは、本発明の一実施例のＬＥＤに電力供給するために使用し得る電気駆動回路の半分を形成できる３個の３２チャンネルの直列・並列変換器２４０を示す。Supertex,Inc.(1235Bordeaux Drive,Sunytvale,CA 94089）より入手可能なオープンドレイン（ｏｐｅｎ  ｄｒａｉｎ）出力のＨＶ５１ｓが、かかる変換器として使用可能である。これらのチャンネルの一つが、図９ａにＬＥＤ駆動回路の別の半分を示す２３８として示される。図示の回路においては、Linear Technology Corporation(15Research Place,North Chelmsgord,MA 01863）によるＬＴＣ１４４６のようなデジタル・アナログ（Ｄ／Ａ）変換器２３２が、０から５ボルトの出力を提供する。National Semiconductor Corporation(2900Semiconductor Drive,Santa Clara,CA 95051）によるＬＭ２９０４のような加算増幅器２３４が、Ｄ／Ａの出力と、トランスインピーダンス（ｔｒａｎｓ−ｉｍｐｅｄａｎｃｅ）増幅器２３６の出力とを比較する。この増幅器は、例えば、Intersil,Corp.(2401Palm Bay Road,N.E.,Plam Bay,FL 32905）によるＣＡ３１４０であり、これは、PerkinElmer Analytical Instruments(761 Main Avenue,Norwalk,CT 06859）より入手し得るシリコンフォトダイオードＶＴＤ３４のような選択的な検出器２５により駆動される。加算増幅器２３４は、これら２個の電圧の大きさを等しくさせる。検出器２５及びトランスインピーダンス増幅器２３６は、Ｄ／Ａ変換器２３２及びトランスインピーダンス増幅器２３６からの出力電圧の符号が確実に反対であるように配列さねばならない。この実施例においては、ＬＥＤ光源の光の強さは基準電圧に釘付けされる。この基準電圧は、複数の光源の出力を一様にするように、Ｄ／Ａ変換器２３２を経て、コンピューターのようなプログラマブル制御手段５００により設定することができる。
【００２５】
上述のように、本蛍光測定器は、低発熱光源からの出力を均一化するための手段を更に備える。「出力の均一化」は、各光源からの光の強度が蛍光測定器の他の光源からのものと等しくなることを保証するために、必要ならば各光源の強度を測定し調節することを意味する。均一化手段が感知する光ビームの強度の変動が、光ビームの強度を一定の設定レベルに維持するために、光源についての電源の電圧を対応して増減させるように使用される。従って、電源電圧の変動、光源の使用期間及び同等事項による光ビームの強度の変化が、被検査試料の粒子による蛍光放射に影響を与えることが防止される。
【００２６】
均一化手段の一実施例が検出器２５として図３に示され、組み合わせられた回路の実施例が前述された図９ａ及び９ｂに示される。好ましい均一化手段は、シリコンフォトダイオード及びこれの組み合わせられたフィードバック回路である。均一化手段は、低発熱光源の各からの光が当たる位置に置かれることが好ましい。例えば、図３においては、かかる位置はメニスカスレンズ３８，４０の間の励起フィルター４２に隣接し、或いは励起フィルター４２の光源２０とは反対側である。別の適切な位置は、示されるように励起フィルター４２の中心とすることができる。位置決めされた容器に向かう光が過剰に阻止されないように、比較的小さい均一化手段が好ましい。
【００２７】
定量的には、容器内の励起された試料の蛍光放射は、光源からの励起光ビームの強度及び試料内の蛍光粒子の濃度又は試料セル内の蛍光粒子の総数の関数である。従って、励起光ビームの強度のいかなる変動も蛍光放射における対応した変動をもたらし、励起ビームにおける強度変化の関数である誤差を生ずる。
【００２８】
ＬＥＤ２０は称呼の高電流で作動されるため、前述のフィードバック回路がより多く要求する電流の更なる増加に応じる大きな余裕はない。このため、図１８ａに図式的に示された図１８ｂの適切な回路における別の方法は、変動しない電流をＬＥＤに供給し、そして光信号感知手段３６により測定された試料の信号とＬＥＤ出力を監視している少なくも１個のシリコンフォトダイオード２５により作られた信号との間の比率を形成することである。この方法で、試料信号中の変動は、ＬＥＤの出力が変化したとき補償される。
【００２９】
光源の出力を均一化する別の技法は、ＬＥＤアレイに、校正用蛍光物質の励起を許すことである。校正用蛍光物質は、AIN Plastics,Inc.(249E.Sandford Blvd,Mount Vernon,NY 10550）より入手可能なＵＬＴＥＭ（登録商標）型ポリエーテルイミドのような蛍光を発生するプラスチックのシートであり、これは２００℃の高温に耐える。各光源の発光の強さが記録され、蛍光物質からの検出された信号を使って正規化される。
【００３０】
本発明の蛍光測定器は、潜在的蛍光放射試料の入っている複数の容器を前記光源と光連絡するように位置決めするための手段を備える。この場合、各光源は、定位置にあるときの前記容器の１個と対応する。かかる位置決め手段は、潜在的蛍光放射試料を入れている複数の容器を保持でき又は収容できるとして本技術熟練者に知られる試料プレート、タイター板、試料ホルダー、試料トレイ、キャリッジ、又はその他の輸送装置を備える。
【００３１】
容器を収容した位置決め手段は、容器（及び潜在的蛍光放射試料）を、対応する光源との光連絡状態に置くような方法で蛍光測定器内に取り付けられ、又は位置決めされる。
【００３２】
容器は、位置決め手段から分離し得る容器を含むことができ、又は位置決め手段内に一体に形成することができる。或いは、容器は、潜在的蛍光放射試料を保持し得る位置決め手段内に形成されたウェルとすることができる。各実施例は、蛍光測定器の特定な仕様に適合するであろう大きさのものであろう。好ましくは、容器は試料管である。本発明に適した試料管は市場で入手可能である。容器３２は、位置決め手段内に保持されたとして図２に示され、この位置決め手段は、タイター板となし得る試料プレート３０として示される。位置決め手段により保持される容器のアレイがあることが好ましい。位置決め手段と容器とは、一緒に、試料プレートに総数９６個の試料管を保持する８個×１２個の試料管アレイであることが最も好ましい。容器は、本技術において知られるその他の手段によりキャップをし又は覆うことができる。ここで使用される「キャップ」は容器を密閉するキャップ及びその他のカバーを含む。
【００３３】
本蛍光測定器は、光を、前記複数の低発熱光源から、対応して位置決めされた容器内の潜在的蛍光放射試料に向ける第１の光路手段を備える。前記第１の光路手段は、種々の光学系の一つを介して、各低発熱光源を、その対応して位置決めされた容器に光学的に連絡する。第１の光路手段は、通常構成の種々の光学素子を含むことができる。光路に沿った光学素子の特別な配列は、設計仕様に適するように希望の適宜の合理的な間隔比を提供するように調節することができる。光の案内に適した光学素子は、集光レンズ、対物レンズ、フレネルレンズ、撮像レンズ、正レンズ、又はフィールドレンズを含んだレンズ、ミラーのような反射器、ビームスプリッター、及び励起フィルターの少なくも一つを含むことができる。これら光学素子及びその他の有用な光学素子は、本技術においてよく知られかつ市場において入手可能である。かかる光学素子の取付方法は本技術においてよく知られる。図２、３、４、５、７、１３、１４、１５ａ、１５ｂ及び１６は、第１の光路手段の種々の光学素子の配列の種々の実施例を示す。第１の光路手段は、直線路、図２に示されるような概ね直線路、図３に示されるような例えば少なくも１個の反射器４４の使用により折り曲げられた光路又は折り曲げ得る第１の光路で光を案内する光学素子を含むことができる。
【００３４】
図２において、光源２０から放射されて第１の光路手段に沿って案内されて、１個の対応して位置決めされた容器３２に落ちる光が示され、この第１の光路は、第１のフィールドレンズ２２、励起フィルター２６の直近に置かれた撮像レンズ２４、ダイクロイック反射器２８、フレネルレンズとすることができる第２のフィールドレンズ２９を含む。第１の光路は、図２において、光源ホルダー２１内に保持されるとして示された光源２０から、その対応した容器３２に至る破線で示される。
【００３５】
図３は、本蛍光測定器の第１及び第２の光路手段の配列の「オフアキシス」変更例を示す。この実施例は、スプリッタービームを無くし、かつ４５゜ダイクロイック反射器の大きな波長ずれを避ける構成を提供する。図３に示された実施例において、給電された光源２０からの光は、２個のメニスカスレンズ３８及び４０を通過し、次いで励起フィルター及び停止部４２を通過する。この停止部は励起フィルターを囲んでいる不透明区域である。図３に示された実施例は、ここでは前面鏡として示されたミラー４４を備え、このミラーは、励起フィルター４２を通過した光の光軸を約４５゜曲げるように作用し、その後、光はフィールドレンズ２９に行く。フィールドレンズ２９は、光を、試料プレート３０内に保持され位置決めされた容器（図示せず）内の試料上の向ける。
【００３６】
図４は、本発明の別のオフアキシス式の実施例を示す。この実施例においては、光は、光源ホルダー２１内に保持された各光源２０から１対のメニスカスレンズ３８及び４０を通過して進む。この好ましい実施例においては、かかるメニスカスレンズは、励起フィルター４２の各側に１個ずつ配置される。光は、更に第１の光路手段に沿って、フレネルレンズとなし得るフィールドレンズ２９に至る。
【００３７】
さて、図５を参照すれば、別の光学系を使用した図２の光学素子の配列の変更例が示される。この配列においては、（図２の）レンズ２２及び２４は、図３のようなメニスカスレンズ３８及び４０により置換され、フィルター２６は、励起フィルター及び停止部４２で置き換えられる。ビームスプリッター２８が使用される。
【００３８】
図１０において見られるように、各光源に対して１個ずつ設けられた個別レンズ３００が示される。このレンズは。かかる個別レンズ３００は、適切な支持板（図示せず）に保持された個別の正レンズとすることができ、又は適切な大きさにされたレンチキュラー板を使うことができる。同様に、図８に示されるように、個別レンズ３０２は、選択的に、ここでは試料管ホルダー４５内の試料管５０として示された位置決めされた各容器の直近に取り付けることができる。光信号のレベルは、個別レンズ３００（図１０）、３０２（図８）、又は３００と３０２の両者の使用により強めることができる。
【００３９】
第１の光路手段は、容器内の試料を１度に１個以上励起することを防ぐために画素化されたフレネルレンズ４００（図１９参照）を更に備えることができる。この形式のレンズは、光電子式の画素と同様に分離されたドメイン４０２に分割されるため「画素化された」として説明することができる。この好ましい実施例においては、励起光が横方向に動いて１個以上の容器内の試料を励起することが防止される。これが生ずるのは、変更されないレンズでは、レンズの最終の厚さのため光が２個の面の内側で反射して散乱するためである。従って、出力が感知される弱い放射を出し得る試料は、強い放射を出している試料の同時励起のクロストークにより、その信号が不適性に強化されて、偽の読みを生ずる可能性がある。
【００４０】
再び図１９を参照すれば、本発明の「画素化された」実施例においては、適切に鑽孔された比較的薄い基盤にフレネルレンズを取り付け、そして、基盤を本質的に貫通しない溝４０４を形成するようにレンズを切ることができる。次いで、溝４０４を黒色ペンキ又はその他の遮光手段で満たすことができる。本発明に有用な画素化されたレンズを作る一つの方法は、基盤上に完全なレンズを接着し、レンズを通して溝を機械加工してサブレンズを形成し、更に黒色ペンキ又は同等品で溝を満たすことである。別の技法は、ステンレス鋼板をＥＤＭしてバリケード格子を形成し、そしてこの格子の中にサブレンズを挿入することである。
【００４１】
フレネルレンズにおける光の横方向透過を妨げる別の機構は、横方向の透過が隣接容器に達する以前にこれが消散するほど両側の面が近い紙の薄いフレネルレンズを使用することである。これは、放散を観察するために４５７．２μｍ（１８ミル）厚のフレネルレンズ上にレーザー光を手で照らすことにより証明された。２０３．２から３８１μｍ（８から１５ミル）厚の画素化されたレンズが好ましい。
【００４２】
本蛍光測定器は、第１の光路に選択的に励起フィルターを更に備えることができる。これは、各光源で作られた光のうちの励起波長が、対応して位置決めされた容器に通過することを許す（例えば図２、励起フィルター２６参照）。
【００４３】
低発熱光源が適切な十分に狭い帯域幅、又は励起帯域を放射する場合、及び放射帯域が十分に分離される場合は、励起フィルターはオプションとすることができる。
【００４４】
励起フィルターは、試料において使用される選択された蛍光発生媒体を励起し蛍光放射を作るであろう選定された波長に対して選ばれる。従って、これは、励起フィルターを通過する選択された波長の光であり、解析すべき試料に至る第１の光路を経て案内される。フィルターは、蛍光測定器の高価な構成要素である可能性がある。試料管のアレイを含んでいる試料ホルダーのような位置決め手段と面積が等しいフィルターを使うことが技術的に実行可能である。しかし、かかる大きさのフィルターは、費用が禁止的に高くなることがある。本発明においては、光源を、位置決め容器に関して同じ間隔になるように分布させ得るため、本発明により、光源の合理的な展開ができると同時にフィルター寸法を小さく維持することができる。この単純な方策から費用面での大きな改善が得られる。焦点面積、例えば位置決め手段内の容器の面積に比較して小さい励起フィルターを使うことができる。例えば、面積が約７７．４２ｃｍ2（１２平方インチ）の好ましい通常の試料管ホルダーの大きさに対して呼び直径が約２５．４ｍｍ（１インチ）の励起フィルターを使うことができ、約１：１５の励起フィルター面積対焦点手段面積の比が得られる。
【００４５】
種々の試料を解析するために、励起フィルターは、対象の特定試料に依存した異なった帯域通過幅特性を有する励起フィルターと容易に置換できることが好ましい。
【００４６】
本蛍光測定器は、例えば図２に示されるように、光信号感知手段３６を更に備える。光信号感知手段は、位置決め容器内の蛍光発生試料と光連絡し、光ビームで励起されたときの粒子からの蛍光放射を定めている光量子を受けて感知する。光信号感知手段が受けた蛍光放射は光量子による手段の衝撃を生じ、各光量子は計数される電荷又は信号パルスを生ずる。感知された光量子の数が勘定され、一定期間中の試料からの総計数が、その試料の蛍光発生粒子の数の尺度である。適切な光信号感知手段は、真空フォトダイオード又はアバランシェフォトダイオード、光電子倍増管（ＰＭＴ）により感知された各光量子に応答して出力電荷又は信号パルスを作るＰＭＴ，及び市場で入手可能でありかつ全試料トレイの像を獲得する電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラを備える。ＣＣＤカメラが使われるときは、光源に同時に電力供給することができる。ＰＭＴが使用される場合は、光源は逐次的に給電される。感度上の理由でＰＭＴが好ましい。ＰＭＴの構成はよく知られ、かつＰＭＴは温度制御することができる。Hamamatsu USA(360 Foothill Rd.Bridgwater,NJ 08807）より入手可能なHamamatsu PMT Detector Assembly HC-125uは、適切な代表的なＰＭＴである。光信号感知手段は、蛍光の測定及び結果の解析のため、プログラマブル制御手段と通信することが好ましい。
【００４７】
本蛍光測定器は、光信号感知手段の校正のための手段を更に備える。適切な校正手段は、ＬＥＤ２７（図３参照）及び組み合わせられた回路とすることができ、これは、励起され、例えば蛍光を発生する試料の適切な波長を出す。この校正用ＬＥＤは、光信号感知手段の周期的な校正に使うことができる。
【００４８】
本発明は、発生した蛍光の量の定量による蛍光測定手段を更に備えることができる。かかる蛍光測定手段は、単に、光信号感知手段と電気的に連絡する電圧計とすることができる。又は、以下、更に説明されるようにプログラマブル制御手段の一部とすることができる。かかる蛍光測定手段は、記録された応答を、選定された各試料に割り当てることができ、記録された応答は、設定された基準応答と比較することができるようにコンピューターにより提供することができる。
【００４９】
この蛍光測定器は、どの蛍光発生試料から放射された光も前記光信号感知手段に案内するために第２の光路手段を備える。第１の光路手段におけるように、第２の光路手段は、種々の配列（図２、３、４、５、７、１１、１３、１４、１５ａ、１５ｂ、及び１５ｃ参照）における種々の光学素子を備え、案内される光は直線、概ね直線、屈折、又は湾曲とすることができる。第２の光路手段の光学素子は、集光レンズ、対物レンズ、フレネルレンズ、撮像レンズ、正レンズ、又はフィールドレンズを含んだレンズ、ミラーのような反射器、ビームスプリッター、及び放射フィルターの少なくも一つを含むことができる。放射フィルターは、センサーが十分に狭い選定波長検出を有する場合は不要である。
【００５０】
これら光学素子及びその他の光学素子は本技術においてよく知られ、かつ市場で入手可能である。第２の光路は、前記第１の光路に対してある選ばれた角度とすることができる。選ばれた角度は、０から２５゜の範囲とすることができる。より良い性能のためには、この角度は最小にすべきである。この選ばれた角度がゼロであるときは、図２に示されるように、ビームスプリッター（例えば、ダイクロイック反射器２８）を本蛍光測定器の第２の光路内に含むことができる。第１及び第２の光路手段は、少なくも１個の光学素子を共有することができる。
【００５１】
第２の光路手段は、光信号検知手段の光学的上流の少なくも１個のレンズを備えることができる。図３及び１１は、第２の光路のかかる変更例を示す。図３においては、各試料で作られた光は、フィールドレンズ２９を通過して戻り、到来する光エネルギーの方に曲げられ、そして放射フィルター３４上に落ちる。放射フィルター３４を通過した光は光信号感知手段３６に行く。図１１においては、フィールドレンズ２９は、試料プレート３０のような位置決め手段と光信号感知手段３６との間に置かれる。フィールドレンズ２９は、フレネルレンズとすることができる。或いは、研磨を最小にするために、１対のレンズを使用することができる。
【００５２】
図４に示される第２の光路手段の利点は、追加の光信号感知手段３６を、感度を大きくするために、図４に示されたものと対称的に反対側に設置し得ることである。
【００５３】
第２の光路手段については、容器の頂点と連絡する光ファイバーを設けることにより第１の光路手段と揃えることが可能である。これは、本発明の蛍光測定器及び熱サイクラー組合せにおいては、加熱されたホルダーを通過するであろう。容器の頂点における光は、特に輝度を高くすることができる。この実施例においては、個々の光ファイバー線が、各容器を放射フィルター及び光信号感知手段に連絡する。光信号のレベルは光ファイバー線の使用なしより大きいが、多くの光ファイバーによる追加の複雑性を要求し、更に本発明の熱サイクラー及び蛍光測定器組合せに対しては、より複雑な加熱されたホルダーを要求する。この実施例では、フィルター及びフィールドレンズを使うことができる。
【００５４】
本発明は、前記第２の光路内に放射フィルターを備え、蛍光発生試料からの放射光がこのフィルターを通過することを許し、かつ前記放射光の波長以外の波長の光の通過を実質的に阻止する。例えば、図２に示されるように、放射フィルター３４は、容器３２と光信号感知手段３６との間で第２の光路手段内に置かれる。放射フィルターは光信号感知手段の直近に置くことができ、又は放射フィルターは光信号感知手段から間隔を空けて置くことができる。放射フィルター３４は、光信号感知手段３６の受ける光から、蛍光発生粒子の蛍光放射の波長以外の実質的に全ての波長を除去する帯域通過特性を持つ。
【００５５】
例えば、図１１に示されるように、放射フィルター３４は、放射光を、円錐角ａが約４５゜より小さい円錐に制限するように、光信号感知手段３６から間隔を空けられることが好ましい。散乱光は、作動円錐の外側に落ち、ノイズ源でなくなるであろう。
【００５６】
光信号感知手段による蛍光の検出に直接的又は間接的に悪影響を与える迷光及び光の反射を最小にするために、蛍光測定器用のハウジング内部は黒色であることが好ましい。更に本蛍光測定器は、光の散乱、２次蛍光放射などを防ぐために、ハウジング壁に形成されたウェル又は凹所の形で提供される適切な光トラップを備えることができる。
【００５７】
図７に示されるように、本発明の蛍光測定器及び熱サイクラー組合せは、蛍光測定器だけにも応用できる。これは、光源２０より放射された光の幾分かが、ダイクロイックミラー２０３を直接通過し、ダイクロイックミラー２０３が上方ユニット２０４の内部から反射し、そして光信号感知手段３６に当たり、ノイズを発生する可能性があるためである。前記の影響を最小にするために、光トラップ２０６を使うことができる。光トラップ２０６は、望ましくない光の大部分を無害に吸収するように、例えば約４５゜の角度にされた２個の磨かれた黒色面とすることができる。結果として、光信号感知手段は、放射、特に放射の光量子が光ビームのみより生じた蛍光の結果であることを保証するように、実質的に、試料内の蛍光発生粒子を叩く光ビームのみにより生じた蛍光放射を受ける。これが、光信号感知手段による検出の精度を著しく向上させる。
【００５８】
図７の共焦点配列により、約１５倍の背景対最弱信号比があることが見いだされたが、これは望ましくない。図１３に示されるように、かかるノイズは、共焦点システムにおいて散乱され約４５゜以上の角度で放射フィルター３４に至る励起光から生じ、これは放射フィルターでは除去できない。この光は、光信号感知手段３６内に通過する。このノイズの問題は、図１４に示されるような配列の使用により解決できる。この配列では、１個以上のオフアキシス光信号感知手段３６が、光信号感知手段３６から間隔を空けて置かれた放射フィルター３４に接触しているレンズ２９と共に使用される。レンズ２９と光信号感知手段３６との間の区域は黒ビロードのような光吸収材料で囲まれることが好ましい。光源から容器に光を指向させるために前面ミラー２０５を使うことができる。
【００５９】
図１６及び１７は、フィルターにより誘発されるクロストーク、特に試料間のクロストークを減らし得る本発明の実施例を示す。この好ましい実施例は、散乱及び多くの試料の同時励起を減らすために最少の光学素子を使用する。かかる誤った励起は、容器における偽の正を示して、増幅器を誤らせて偽の負の結果を受け入れさせる可能性がある。
【００６０】
例えば図３、４、５、７、１３、１４、１５ａ、１５ｂ、１６、及び１８ａに、メニスカスレンズ３８及び４０が示される。この形式のレンズは、反射を最小に減らすためにコーティングすることができる。好ましい材料、Ｍｅｌｌｅｓ  Ｇｒｉｏｔ−０７９コーティングは、４８５ｎｍにおいて約０．１％の反射率を持つ。これは、１個を除くすべての位置についての観察される試料クロストークの５２％に寄与することが見いだされている約１．０％の反射率を有するＭｇＦと比べることができる。かかるメニスカスレンズは、試料トレイのような位置決め手段の反対側で見て４５゜以上の入射角において透明となる放射フィルターへの散乱を防ぐために、励起フィルターに関して選択的に対称的にすることができる。これは、レンズの支持構造が、励起フィルターからどの試料への直接光も不鮮明でないような方法でなされねばならない。このシステムは、容器の近くでフレネルレンズを使用しないときは励起光及び蛍光の双方ともテレセントリック系ではない。これが、容器の先方を照らしている励起光の散乱を減らす。
【００６１】
本発明の蛍光測定器は、蛍光測定器の少なくも一つの機能を管理するためにプログラマブル制御手段を更に備えることができる。かかる機能は、例えば、光源への電力の供給、蛍光測定器により行われる種々の作動の順序付け、均一化手段からのデータの受信及びかかるデータと基準電圧との比較、各試料から放射された蛍光の量の測定、各試料から放射された蛍光の量と基準値との比較、得られた情報の更なる処理、並びに本技術熟練者に知られるその他の処理を含むことができる。適切なプログラマブル制御手段は、マイクロプロセッサー、パソコン及び同等品のようなコンピューター、及びこれらと組み合わせられる周辺機器とソフトウエアとを含む。かかる機能を実行するためにコンピューターをプログラミングする方法は、本技術熟練者により良く知られる。
【００６２】
図１８ｂ及び９ｃに示されるように、プログラマブル制御手段５００は、蛍光測定器及び望むならば蛍光測定器と組み合わせ得るその他の装置類の諸機能を作動させるに適するようにプログラム化することができる。光源駆動回路５０２を通して作動しているデジタル出力が、選ばれたパターンのアレイ内の各ＬＥＤのような複数の光源５０４に個々に電力を供給する。これは、光源の出力の変化を補正するために１個以上のフォトダイオード５０６を有するフィードバックシステムにより変更することができる。例えばＰＭＴモジュール又はフォトダイオードとなし得る光信号感知手段５０８において作られた応答信号が、Ａ／Ｄ入力を通してプログラマブル制御手段５００上に作用する。本発明の蛍光測定器が熱サイクラー５１０と組み合わせて使用される場合は、プログラマブル制御手段５００は、更に、例えば直列出力により熱サイクラーを制御できる。
【００６３】
本蛍光測定器は、以下の方法で作動させることができる。光源に給電されると、光ビームが励起波長、例えば４５０ｎｍ（青）の通過する励起フィルターを経て第１の光路手段に沿って通過し、対応して位置決めされた容器内の試料上に焦点を結び、そして試料中の蛍光発生粒子を刺激して所定波長、例えば５２０ｎｍ（緑）の蛍光放射を作る。位置決めされた容器内の潜在的蛍光活性試料に光が当たると、その試料だけがその波長範囲内の蛍光を発生させる光により励起される。次いで、蛍光放射は第２の経路手段に沿って光信号感知手段に案内され、この手段が光量子の計数により検出し又は放射光を画像化する。次いで、各試料の蛍光を、例えば放射光レベルと所定の基準レベルとの比較により測定することができる。
【００６４】
本発明は、上述の蛍光測定器を備えた蛍光測定器及び熱サイクラー組合せにも関し、これにおいては、容器は熱サイクラーと組み合った試料管であり、前記熱サイクラーは、複数の壁を有する熱的に管理されたベースであって、各壁がキャップをされた試料管を密に接触した状態で保持できる前記ベース；各試料管に対応する複数の穴を有する熱的に管理されるカバーであって、前記カバーが作動状態時に各前記試料管のキャップを前記密な接触に機械的に強制し、各前記穴が前記キャップから外向き広がっている前記カバー；及び選択されたプロトコールに従って前記試料管の温度を管理するためのプログラマブル制御手段を備える。熱サイクラーは、更に本技術熟練者に知られる要素及びシステムを含むことができる。かかる要素及びシステムは、例えば米国特許５，０３８，８５２号、５，３３３，６７５号及び５，４７５，６１０号に説明され、これら特許の全ては参考文献としてここに取り入れられる。本発明の蛍光測定器及び熱サイクラー組合せは、更に、意味のある結果を得るために得られた結果を収集しかつ処理する手段を備える。
【００６５】
図６に、本発明の蛍光測定器及び熱サイクラー組合せの一実施例が示される。図示された立面図において、蛍光測定器及び熱サイクラー組合せ２００はベースユニット２０２を有し、この上に上方ユニット２０４が旋回可能に取り付けられる。光信号感知手段３６も観察できる。光トラップ２０６の外側も見ることができる。ベースユニット２０２は、コンピューター（図示せず）のような制御手段の管理下で温度サイクリングをするための作動ユニットである熱電式ヒーター／クーラー２０８上に作ることができる。熱電式ヒーター／クーラー２０８用として、MJ Research,Inc.(590Lincoln Street,Waltham,MA 02451）で作られたPTC DNA Engine Systems用のAlpha Unit(登録商標）Block Assemblyを使うことができる。
【００６６】
さて、図７を参照すれば、図６の内部の諸要素が見られる。上方ユニット２０４及びベースユニット２０２は、カバーを取り去った状態で見られる。上方ユニット２０４内に、主フレーム２１０が見られる。同様に、ベースユニット２０２内にはベースフレーム２１２がある。これらのフレーム、従ってそれらそれぞれのユニットは、軸２１４上で旋回する。閉鎖状態で示されているが、矢印は、開かれるときに上方ユニット２０４が従う方向を示す。図示されない手段により主フレーム２１０に固定された第１のサブフレーム２１６が、見えるレンズ３８と４０、及び見えないが２個のレンズ間に取り付けられた励起フィルター及び停止部を取り付ける。第１のサブフレーム２１６に強固に連結された延長フレーム２１８が光源支持プレート２２１を支持し、これが、レンズ３８の中心に向けられたＬＥＤのような光源２０のアレイを支持する。ダイクロイックミラー２０３が、図示されない手段により主フレーム２１０に取り付けられる。第２のサブフレーム２２２は主フレーム２１０の一体部品であるが、ベースユニット２０２内に伸びる。第２のサブフレーム２２２がフレネルレンズ２９を支持し、このレンズは、熱的に管理されたカバー２２４の近くで間隔を空けられて組立体２３０内に配置される。熱管理されたカバー２２４は、電気的に加熱され温度管理された板とすることができる。かかる加熱及び制御用の手段は共通の知識である。
【００６７】
この蛍光測定器及び熱サイクラー組合せは、複数のウェルを有する熱管理されたベースを備え、各ウェルはキャップをされた試料管を密な接触状態に保持できる。図８に、熱管理されたベース２２６におけるウェル３３が示される。これらウェルは、両側及び底面を高反射面で形成することができ、透明な試料管が使用されたときは、これが好ましい。この高反射特性は、熱管理されるベース２２６をアルミニウムで作り、そしてウェル３３の内部を研磨することにより達成される。反射性ペンキ及び同等品の使用を含むその他の手段をこの目的に使うことができる。この構成が、作動部品内に戻る放射光を集中させる。
【００６８】
本蛍光測定器及び熱サイクラー組合せは、各試料管に対応した複数の開口を有する熱管理されたカバーを備え、前記カバーは、作動時に、各前記試料管のキャップを前記密な接触状態に機械的に強制する。図８に示されるように、熱管理されたベース２２６内に挿入された試料管ホルダー４５内に支持された試料管５０への光のアクセスを提供するために、熱管理されたカバー２２４に、各試料管５０につき１個の適切に間隔を空けられた開口２２５が設けられる。開口２２５の一変更例が図８に示される。熱管理されたカバー２２４は、キャップをされた試料管５０の頂部に下向きの力を加え、図７に示されるヒーター／クーラー２０８により加熱及び冷却される熱管理されたベース２２６内の適切な形のウェル３３からの適切な熱伝導を保証する。試料管のキャップの頂部への下向きの力は、熱管理されたカバー２２４の摺動取付け用組立体２３０及びサブフレーム２２２内のフィールドレンズ２９並びにバネ２２８のような強制用手段の提供により達成される。
【００６９】
図８に示される開口２２５は、光信号感知手段に向いて外向きに開いている約１０゜の夾角を構成する。この特別な夾角は、図１におけるような通常の直線的な側壁の開口と比べて光の集中度を大きくする。図１２は、本発明に有用な開口２２５の別の実施例を示す。ここでは、開口は放物線状の反射器として形成され、この形状は、より複雑な構成の代償により、更に大きい集中度を提供する。
【００７０】
図８及び１２に示された試料管５０は、キャップ３７が適合する試料管ホルダー４５の上部において伸びている首部分３５を持つ。熱管理されたベース２２６と熱管理されたカバー２２４との間のこの領域のため、１個の試料管からの散乱光が、隣接の試料管に当たることができる。ノイズの大きな原因は、弱い放射の試料が強い放射の試料に隣接して置かれる場合の試料管間のクロストークである。この問題は、熱管理されたカバー２２４と熱管理されたベース２２６との間の間隔を減らすことにより対応することができる。熱管理されたカバー２２４と熱管理されたベース２２６との間の間隔を減らすために、容器と一体に形成された位置決め手段を使うことができる。例えば、かかる実施例をMJ White Plate224(MJ Research,Waltham,MA 02451より入手可能な「マルチプレート」）に見いだすことができる。このマルチプレートでは、試料管５０は、試料管ホルダー４５内に一体に形成され、このため、キャップ３７だけが熱管理されたベース２２６の表面上に伸び、かつキャップ３７が熱管理されたカバー２２４の開口２２５内に適合する。
【００７１】
White Plateは、反射性の白色プラスチックで作られる。白色のマルチプレートが使用された場合は壁の研磨は不必要である。黒の陽極処理されたヒーターブロックにおける白のマルチプレートは、市場で入手し得るつや消しのタイター管と比較して信号が５．３２倍に増強される。輝く凹所における同じマルチプレートは、同じつや消しのタイター管より１２．９倍増強する。マルチプレートのプラスチック材料内の二酸化チタンの量を増やすことにより、熱管理されたベースの凹所を研磨することなしに１２．９倍の増強を達し得たことと信じられる。
【００７２】
ノイズを減らし又は無くす別の実施例が図１５ａに示される。この実施例においてはミラーがない。フィールドレンズ２２は、平行に光源が取り付けられた光源ホルダー２１の底部と接触している例えば焦点距離約１５２．４ｍｍ（６インチ）のフレネルレンズとすることができる。メニスカスレンズ３８及び４０の各は、例えば焦点距離が約１５２．４ｍｍ（６インチ）のものとすることができる。光信号感知手段３６に面して黒のビロード面を有するバッフル２７０が示される。熱管理されたカバー２２４及び開口２２５は、約６０゜の夾角を持つことが好ましい。この実施例は、良好な結果を生むことが証明された。
【００７３】
低い背景ノイズが測定された別の実施例が図１５ｂに示される。この実施例では、ビームスプリッターとしてミラー２３０が使われる。ミラー２３１について、Edmund Scientific(101 East Gl iucester Pike,Barrington,NJ 08007）より入手し得る４０Ｒ／６０Ｔミラーを使うことができる。開口の外側、ミラー２３０の表面は、例えば黒いビロード紙となし得るマスク２３１で覆われる。散乱光を更に吸収するために、本蛍光測定器又は蛍光測定器及び熱サイクラー組合せは、更に、黒ビロードで覆うことができかつ光信号感知手段３６に面して置かれたバッフル２３２のようなバッフルを備えることができる。
【００７４】
本発明の蛍光測定器及び熱サイクラー組合せは、選定されたプロトコールに従って前記試料管の温度を制御するためのプログラマブル制御手段を備える。熱サイクラー用に適切な制御手段は、本技術の熟練者に知られる。かかる制御手段の代表例が、米国特許５，０３８，８５２号、５，３３３，６７５号、及び５，４７５，６１０号に説明される。これらの全ては参考文献としてここに組み入れられる。図９ｃに示されるように、熱サイクラー５１０を制御するためにコンピューター５００が使用される。これらは、本発明の蛍光測定器及び熱サイクラー組合せの蛍光測定器及び熱サイクラー用の異なったプログラマブル制御手段とすることができ、或いは蛍光測定器及び熱サイクラーを同じプログラマブル制御手段で管理することができる。
【００７５】
使用の際は、例えば図７に示されるように、蛍光測定器及び熱サイクラー組合せ２００は、上方ユニット２０４を下方ユニット２０２から離れるように傾けることにより開かれる。熱管理されたベース２２６内に試料管５０のトレイが挿入され、蛍光測定器及び熱サイクラー組合せ２００が閉じられる。蛍光測定器及び熱サイクラー組合せ２００の閉鎖が熱管理されたカバー２２４を強制して試料管５０のキャップの頂部に押し付け、熱管理されたベース２２６への着座とヒーター／クーラー２０８からの良好な熱伝導とを保証する。
【００７６】
装置が閉じられた後、ポリメラーセ連鎖反応（ＰＣＲ）が進行する。ＰＣＲは、核酸の分離した相補的な鎖が、過剰モルの２種のオリゴヌクレオチドプライマーで処理される（米国特許４，６８３，２０２号（Ｍｕｌｌｉｓ）参照）。プライマーは、希望の核酸配列を合成する鋳型として作用する相補的プライマー延長生成物を形成するために延長される。反応、熱処理連鎖の諸段階が実行され、そして希望回数繰り返される。解析は、２重鎖が単鎖に破壊される高温レベルとこれらが２重鎖にアニールされて戻る低温レベルとの間で繰り返される。更なる解析に適した多数の複製を得るためには、典型的に３５以上の多いサイクルが必要である。試行は、希望の（目的の）鎖を、その存在を示し得るレベルに急速に増幅する。指示薬としては蛍光染料が好ましく、特に２重鎖ＤＮＡと結合したときに蛍光を発生するが単鎖とは結合せず、かつ単鎖では蛍光を発生せずかつ単鎖の存在下では信号しないか又は僅かしかしないインターカレート染料が好ましい。蛍光発生媒体として有用なインターカレート染料は、青の励起波長（４８５ｎｍ）に感度があるMolecular Probesより入手可能なＳＹＢＲ  Ｇｒｅｅｎである。その他の蛍光発生材料を試料内で使うことができる。
【００７７】
試料が増幅されると、光源への電力供給手段が、好ましくはプログラマブル制御手段により同時に希望のシーケンスで作動させられ、そして放出された光信号が光信号感知手段３６により検出される。感知された信号は、例えば放射光のレベルと適切なコンピュータープログラムの使用による所定の基準値とを比較することにより放射蛍光を測定するために使用することができる。
【００７８】
さて、図２１を参照する。蛍光測定器及び熱サイクラー組合せ６００が示される。蛍光測定器６０２は、熱サイクラー２０８の垂直方向上方に取り付けられる。前述のPTC DNA Engine（登録商標）Systems用のAlpha Unit（登録商標）Block Assemblyが、この熱電式ヒーター／クーラーに対しては好ましい。制御及び解析用の手段、キーボード６１０とマウス６１２とを有するＰＣ６０８も示される。
【００７９】
この実施例は、装置の後方に光感知手段３６を有する図４のオフアキシス構成に基づく。図７の２２４のような熱管理されたカバーが、分かるであろうように数種の機能を実行する摺動パネル６０４により昇降させられる。このカバー２２４は、図７のバネ２２８により弾性的に押される。試料トレイの挿入及び取出しのための蛍光測定器６０２へのアクセスは、ハンドル６０６を使用して縦方向摺動パネル６０４を持ち上げることにより始められる。この運動が、サイクラー２０８を光源２０と光学的に揃った位置（図４０参照）に保持する鎖錠ピン（図示せず）を上げて、オペレーターが、独立型熱サイクラーの使用時のように正確に装填／取出しを行うために、サイクラー２０８を蛍光測定器６０２の下から前方に引き出すことを許す。ハンドル６１４がサイクラーの運転位置からの引出し及びこの位置への押込みを容易にする。
【００８０】
本発明は、種々の最終用途に使うことができる。例えば、この蛍光測定器及び熱サイクラー組合せは、融解曲線の解析用として使用することができる。この用途においては、２重鎖状分子と結合したときに主として蛍光を発生するインターカレート染料のような適切な指示薬を有するＤＮＡ又はＲＮＡのような試料材料の十分な量の溶液を収容している試料管を、本発明の蛍光測定器及び熱サイクラー組合せの熱管理されたベースに置くことができ、更に温度勾配を作動させることができる。次いで融解曲線が行われ、特定の鎖状分子の存在を示す有意の結果が得られる。好ましい融解曲線解析は、本発明と同一所有者の暫定出願６０／１３１９０１号に明らかにされた方法でなされる。これの内容は参考文献として個々に組み入れられる。危険な病原体の存在の証明は、一つの好ましい最終用途である。
【００８１】
本発明の装置が上述された暫定的な応用において説明されたような融解曲線の解析に使用された場合は、熱サイクラーにとって普通であるように同じく費用のかかる温度制御装置を設ける必要はない。熱サイクラーにおいては、温度は、数秒で高温（通常は約７０℃）から更に高い温度（約９０℃）にしそして冷却して戻すことを約３５サイクル正確に変更しなければならない。この融解曲線解析においては、温度は、同じ温度間を約１時間にわたって正確な温度変化勾配（ランプ）としなければならないが、冷却は厳密でない。かかる装置は「ランパー」と呼ぶことができ、本発明の蛍光測定器と組み合わせることができる。
【００８２】
本蛍光測定器及び熱サイクラー組合せは、少量の遺伝物質を読取り可能なレベルに増幅しその後で核酸の既知の配列又は蛍光による既知の有機物の存在の有無を判定するためのＰＣＲの実行に使うことができる。従って、本発明は、材料を、蛍光測定器又は上述の蛍測定器及び熱サイクラー組合せの光源と光連絡状態に位置決めし；この材料を励起光に暴露させ；光信号感知手段により放射光を検出し；そして放射光のレベルを所定の基準レベルと比較する諸段階を含んだ増幅された材料のポリメラーゼ連鎖反応の解析方法を提供する。これらの諸段階は上述されたとおりである。放射光レベルと所定の基準レベルとの比較は、適切なソフトウエアを有するコンピューターのようなプログラマブル手段で行うことができる。かかるプログラマブル手段及びソフトウエアは、本技術熟練者に知られ、かつ蛍光測定器と共に使用でき、又は本発明の蛍光測定器及び熱サイクラー組合せと共に使用できるプログラマブル手段と同じとし、又は別のものとすることができる。本方法においては、試料材料の増幅は、多サイクルよりなる選定されたＤＮＡアニール／変性温度への暴露により行うことができる。
【００８３】
本方法における増幅された材料のＰＣＲ解析は、蛍光信号の検出を含み、更にＤＮＡ融解曲線の解析を含むことができる。従って、本方法は、更に融解曲線データの収集及び既知のＤＮＡ配列の教示に関する検査されたＤＮＡ配列を予測するアルゴニズムによる既知ＤＮＡの同定を含むことができる。この特別な実施例においては、試料材料の増幅は、単一サイクルよりなる選定されたＤＮＡのアニール／変性温度範囲への暴露にあるとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来技術の光学系の図式的な図面である。
【図１ａ】  熱サイクリングシステムを有する従来の光学系の概要図である。
【図２】  本発明の一実施例の概要図である。
【図３】  本発明のオフアキシス実施例の概要図である。
【図４】  本発明の別の実施例のオフアキシスの概要図である。
【図５】  本発明のなお別の実施例の概要図である。
【図６】  本発明の蛍光測定器及び熱サイクラー組合せの側面図である。
【図７】  図６の熱サイクラー及び蛍光測定器組合せの要素を、そのカバーの後ろ側を部分的に切り取ることにより見られる図式的な図面である。
【図８】  加熱カバーにより温度管理されるウェル内に保持された試料管の断面図である。
【図９】  光源のフィードバック制御を示す電気的概要図である。
【図９ａ】  光源のフィードバック制御を示す電気配線図である。
【図９ｂ】  ＬＥＤ選定回路の電気的ブロック図である。
【図９ｃ】  本発明用のプログラマブル制御手段の一実施例の電気的ブロック図である。
【図１０】  本発明のレンズ配列のための一実施例の部分的立面概要図である。
【図１１】  本発明の第２の光路手段の光学的配列の概要図である。
【図１２】  本発明の図８に示された加熱用カバーの実施例を示す。
【図１３】  ダイクロイックミラーを含む本発明の要素を示す概略図である。
【図１４】  本発明の別の実施例の概要図である。
【図１５ａ及び１５ｂ】  本発明の要素の更なる実施例の概要図である。
【図１６】  異なった容器及びホルダーを使用する本発明の別の実施例の概要図である。
【図１７】  図１６にＡで示された区域の拡大部分図である。
【図１８ａ及び１８ｂ】  光源の出力の変化を補償する一実施例を示す概要図であり、図１８ｂは図１８ａの要素レイアウトの電気的概要図である。
【図１８ｃ】  本発明のプログラマブル制御手段の一実施例の概要図である。
【図１９】  現在の蛍光測定器に有用な「画素化された」フレネルレンズの平面図である。
【図２０】  本発明の光源を取り付けるための一実施例の立面断面図である。
【図２１】  組み合わせられたデスクトップコンピューターを有する本発明の熱サイクラー及び蛍光測定器組合せの好ましい実施例の斜視図である。
【図１】
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【図１ａ】
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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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【図８】
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【図９ａ−９ｂ】
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【図９ｃ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５ａ】
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【図１５ｂ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８ａ−１８ｂ】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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