(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの偏光をＤＮＡチップに照射し、ＤＮＡチップから発生する蛍光の異方性を計測することにより、当該ＤＮＡチップ上のハイブリダイゼーションを測定するＤＮＡチップ読み取り装置であって、光源と、基板に設けられた導波路と、当該導波路中に設けられたオンオフ可能なＴＥ／ＴＭモード変換器と、対物レンズと、前記導波路中に設けられたＴＥ／ＴＭモードスプリッタと、２つの受光器を有してなり、光源からの光は、前記導波路、ＴＥ／ＴＭモード変換器及び対物レンズを介して被測定物体に照射され、ＤＮＡが発する蛍光は、前記対物レンズを介して前記導波路に入射し、前記導波路中で分岐されて、ＴＥ／ＴＭモードスプリッタによりＴＥモード光とＴＭモード光に分離され、それぞれ２つの受光器に受光されるようにされていることを特徴とするＤＮＡチップ読み取り装置。
【請求項２】
光源からの偏光をＤＮＡチップに照射し、ＤＮＡチップから発生する蛍光の異方性を計測することにより、当該ＤＮＡチップ上のハイブリダイゼーションを測定するＤＮＡチップ読み取り装置であって、ＴＥモード光、ＴＭモード光をそれぞれ発する光源と、基板に設けられた導波路と、対物レンズと、前記導波路中に設けられたＴＥ／ＴＭモードスプリッタと、２つの受光器を有してなり、２つの光源からの光路は、前記導波路中で１つの導波路にまとめられ、各光源からの光は、まとめられた前記１つの導波路から対物レンズを介して被測定物体に照射され、ＤＮＡが発する蛍光は、前記対物レンズを介して前記導波路に入射し、前記導波路中で分岐されてＴＥ／ＴＭモードスプリッタによりＴＥモード光とＴＭモード光に分離され、それぞれ２つの受光器に受光されるようにされていることを特徴とするＤＮＡチップ読み取り装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のＤＮＡチップ読み取り装置であって、光源及び受光素子の少なくとも１つが前記基板の端面に配設されていることを特徴とするＤＮＡチップ読み取り装置。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載のＤＮＡチップ読み取り装置であって、光源及び受光素子の少なくとも１つが、前記基板中に形成されていることを特徴とするＤＮＡチップ読み取り装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のうちいずれか１項に記載のＤＮＡチップ読み取り装置であって、前記導波路と前記受光素子の間に光学フィルタが配設されていることを特徴とするＤＮＡチップ読み取り装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のうちいずれか１項に記載のＤＮＡチップ読み取り装置であって、前記導波路の分岐点からＴＥ／ＴＭモードスプリッタに至る導波路中に、前記導波路に入射した光源からの光の、ＤＮＡチップからの反射光を反射するコリニアグレーティング波長フィルタを有することを特徴とするＤＮＡチップ読み取り装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、遺伝子構成要素間の相補的相互作用を利用して遺伝子構成要素の構造を特定するＤＮＡチップを、光学的に読み取る装置に関するものであり、さらに詳しくは、光源からの偏光をＤＮＡチップに照射し、ＤＮＡチップから発生する蛍光の異方性を計測することにより、当該ＤＮＡチップ上のハイブリダイゼーションを測定するＤＮＡチップ読み取り装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、医療分野における病原の特定や疾病の治療、農業分野での遺伝子組み替えによる種の改良等非常に幅広い分野で生物のゲノムの利用が行われるようになってきている。このようなゲノムの利用に際しては、対象生物の遺伝子レベルの構造の解明が不可欠である。
【０００３】
そのよう遺伝子レベルでの検体の構造、すなわち遺伝子内の注目部位のヌクレオチド配列を特定するための装置として、ＤＮＡチップ又はＤＮＡチップと呼ばれるもの(本明細書においては、これらをＤＮＡチップと称する)、及びその読み取り装置が開発され、実用に供されている。例えば、米国ゼネラルスキャニング社は、ScanArrayシリーズという名称のＤＮＡチップ及びその読み取り装置を販売している。このような装置では検体のヌクレオチド配列は次のようにして同定される。
【０００４】
ＤＮＡチップは、板状の基板に所定の塩基配列を有するオリゴヌクレオチド(ＤＮＡプローブ)を適当な間隔で、スポット状に固定化したものである。通常、１つのスポットの大きさは、20〜200μm程度であり、１つのスポット内には、数百万本程度の数の、同一のオリゴヌクレオチドが固定化されている。固定化されるオリゴヌクレオチドの塩基数は20程度であることが一般的である。
【０００５】
基板としては、ガラス、Si基板、プラスチックが用いられている。これらのうちもっとも広く用いられているのは、顕微鏡用のスライドガラスを基板としたものである。典型的なスライドガラス基板は、大きさが75mm×25mm、厚さが１mmである。１つのＤＮＡチップ全体では、前記のようなスポットが50μm〜500μmの間隔でマトリクス状に配列されている。各スポットに含まれるオリゴヌクレオチドは、互いに異なるヌクレオチド配列を有している。
【０００６】
基板上にオリゴヌクレオチドを固定化する方法としては、基板上で一層ずつ、オリゴヌクレオチドを合成しながら固定化する方法と、あらかじめ別途合成しておいたオリゴヌクレオチドを基板上に固定化する方法がある。
【０００７】
前者の方法における代表的な技術はフォトリソグラフィー技術である。また、後者の方法にはメカニカルマイクロスポッティング技術がある。インクジェット技術はどちらの方法にも使用される。
【０００８】
フォトリソグラフィ技術は、Fordor等によって開発された技術で(Science,251号、767頁(1991年)参照)、光反応性保護基を利用する。この保護基は、各塩基モノマーと同種あるいは、別種の塩基モノマーとの結合を阻害する働きがあり、この保護基が結合している塩基末端には、新たな塩基の結合反応は生じない。また、この保護基は、光照射によって容易に除去することができる。
【０００９】
まず、基板全面にこの保護基を有するアミノ基を固定化しておく。次に、所望の塩基を結合させたいスポットにのみ、通常の半導体プロセスで使用されるフォトリソグラフィー技術と同様の方法を使って、選択的に光照射を行う。これにより、光の照射された部分の塩基のみ、後続の結合によって次の塩基を導入できるようになる。ここに、同じ保護基を末端に有する所望の塩基を結合させる。
【００１０】
次に、フォトマスクの形状を変更して、別のスポットに選択的に光照射を行う。このあと、同様にして、保護基を有する塩基を結合させる。これをスポット毎に所望の塩基配列が得られる迄繰返すことによってＤＮＡチップを作製する。
【００１１】
次に、インクジェット技術を利用したＤＮＡチップの作製方法について述べる。インクジェット技術は、熱、圧電効果を利用し非常に小さい液滴を２次元平面の所定の位置に射出する技術であり、主にプリンター装置において広く用いられている。
【００１２】
ＤＮＡチップの製造には、圧電素子をガラスキャピラリーと組み合わせた構造のインクジェット装置が使用される。液体チャンバーに接続された圧電素子に電圧を加えることにより、圧電素子の体積の変化によってチャンバー内の液体が、チャンバーに接続された、キャピラリーから液滴となって射出される。射出される液滴の大きさは、キャピラリーの径、圧電素子の体積変化量、液体の物理的性質によって決定されるが、一般には、直径が30μm程度である。圧電素子を用いたインクジェット装置では、このような液滴を10KHz程度の周期で射出することができる。
【００１３】
このようなインクジェット装置を使ったＤＮＡチップの製造装置は、インクジェット装置とＤＮＡチップ基板を相対運動させることにより、ＤＮＡチップ基板上の所望のスポットに所望の液滴を滴下することができる。インクジェット装置を使ったＤＮＡチップ製造装置には、大きくわけて２種類ある。ひとつは、ただ１台のインクジェット装置を用いるものである。
【００１４】
このインクジェット装置は、オリゴマー末端の保護基を除去する試薬を所望のスポットに滴下する構成になっている。所望の塩基を導入したいスポットの保護基を、このインクジェット装置を用いて除去して活性な状態にした後、ＤＮＡチップ基板全体に所望の塩基の結合反応操作を実施する。この際、インクジェット装置からの試薬の滴下によって末端が活性化したオリゴマーを持つスポットのみに所望の塩基が結合する。この後、新たに付加した塩基の末端を保護する操作を行う。次に、保護基を除去するスポットを変更してこの操作を所望のヌクレオチド配列が得られるまで繰返す。
【００１５】
一方、マルチヘッドのインクジェット装置を用いたＤＮＡチップ製造装置は、各塩基を含む試薬毎にインクジェット装置を用意することによって各スポット毎に所望の塩基を直接結合させることができる構成になっており、前述のＤＮＡチップ製造装置よりも高いスループットが得られる。
【００１６】
あらかじめ合成したオリゴヌクレオチドを基板に固定化させる方法のうち、メカニカルマイクロスポッティング技術は、ステンレス製のピンの先端についたオリゴヌクレオチドを含む液体を機械的に基板上に押し付けて固定化していく技術である。この方法で得られるスポットは、50〜300μm程度になる。マイクロスポッティング後には、ＵＶ光による固定化等の後処理が行われる。
【００１７】
以上のようにして作製したＤＮＡチップを用いて次のようにして、検査対象の注目部位のヌクレオチド配列を特定する。前述のようにＤＮＡプローブが固定化されたＤＮＡチップに検査対象から抽出したＤＮＡやＲＮＡを添加する。
【００１８】
検体であるＤＮＡ、ＲＮＡはあらかじめ増殖操作が施され、更に、蛍光物質によるマーキングが施されている。検体のＤＮＡチップへの添加は、通常液相で行われる。添加液中の検体が、ＤＮＡチップに固定化されたオリゴヌクレオチドの配列と相補関係にあるヌクレオチド配列を有していると、検体中の塩基とチップ上の塩基間に水素結合による部分二重鎖が生じる。この水素結合による二重鎖の形成は、ハイブリダイゼーションと呼ばれる。ＤＮＡに含まれるヌクレオチドはアデニンとチミン、シトシンとグアニンがそれぞれ相補関係となっている。
【００１９】
この後、ハイブリダイゼーションが生じなかった検体を洗浄、除去する。これにより、検体中に含まれるヌクレオチド配列と相補的な配列を有するオリゴヌクレオチドが固定化されたスポットにのみ、検体に付加された蛍光マーカーが残ることになる。マーキングには、蛍光物質の他に放射性同位元素を使用することもある。
【００２０】
このＤＮＡチップを一般にアレイリーダーと呼ばれる装置で解析する。アレイリーダーは、各スポットの蛍光強度を測定して表示する。アレイリーダーの方式には、大きくわけて二種類あり、ＣＣＤカメラを使用して同時に複数スポットの蛍光強度を測定する方法と、コンフォーカルレーザー顕微鏡を使用してＤＮＡチップ上を２次元走査して測定する方法である。コンフォーカルレーザー顕微鏡の光検出器には、光電子倍増管や、アバランシェフォトダイオードが使用されている。
【００２１】
照射した励起光に較べて蛍光は強度が数桁小さいのが普通である。そのため、測定に際しては励起光を除去して蛍光のみを測定する必要があり、このために、励起光と蛍光の波長の違いを利用してダイクロイックミラーにより両者を分離する方法や、ビームスプリッタにより励起光と蛍光を空間的に分離する方法が使用される。
【００２２】
蛍光強度の測定には、２波長における強度を測定して、その相対値から、強度を推定する方法が一般的に用いられる。ＣＣＤカメラを用いた方式では、励起光にランプを使用し、広い面積を１度に励起し、そこから発生する蛍光を光学系により２次元像としてＣＣＤ上に結合させて測定する。コンフォーカルレーザー顕微鏡を使用する方式では、励起光にレーザーを使用し、集光したレーザースポットの内部のみを励起し、その部分から発生する蛍光を測定する。
【００２３】
従って、ＣＣＤカメラ方式では、約１cm2程度の広い領域を１度に測定できるのに対して、コンフォーカルレーザー顕微鏡を使用する方式では、１度に直径5〜30μm程度の領域しか測定できない。よって、ＤＮＡチップまたは、コンフォーカルレーザー顕微鏡ヘッドの２次元走査が必要となるため、スループットが低下する。この２次元走査は、基板の載ったステージをｘ−ｙ２軸方向に走査することで実現する。典型的な走査時間は、20×60mmの領域を10μmの解像度でスキャンした場合で５〜15分程度必要である。
【００２４】
一方、コンフォーカルレーザー顕微鏡を使用した方法では、いわゆるコンフォーカルセクショニングによって、ＤＮＡチップの深さ方向のコンタミによるノイズ光ゃフレアを取り除くことができ、ＣＣＤ方式に比較して高いＳ／Ｎ比が得られることが特徴である。
【００２５】
いずれの方式によっても、測定されたＤＮＡチップ上の蛍光強度分布は16ビット程度の強度の分解能を有する２次元の画像データとして出力される。この際、画像判定を容易にするために、擬似色付け処理が行われる場合もある。出力された画像内で蛍光強度が大きいスポットは、検体中に該スポットのオリゴヌクレオチドの配列と相補的なヌクレオチド配列が含まれていることを示している。このようにして、どのスポットの蛍光強度が大きいかによって、検体の遺伝子の注目部位のヌクレオチド配列を知ることができる。
【００２６】
以上のようなＤＮＡプローブを用いた検出法において、最近、ハイブリダイゼーションの検出に蛍光偏光の異方性を用いる方法が提案された(S.Abe and S.Toyonaga,"Detection of DNA hybridization with immobilized fluorescently labeled oligonucleotide probes using fluorescence polarization technique",Proc.SPIE,3602巻430頁、1999年参照)。
【００２７】
以下上記の文献の記載に従ってこの方法の概要を述べる。この方法では、ＤＮＡプローブ側を蛍光マーカーでマーキングし、直線偏光の励起光によって発生した蛍光の偏光の異方性比がハイブリダイゼーションの有無によって異なることを利用してハイブリダイゼーションを検出する。 異方性比ｒは、以下の式で定義される。
r=(Ip-Ic)/(Ip+2 Ic)         (1)
ここで、IpとIcは励起光によって発生した蛍光のうち、それぞれ励起光の直線偏光と平行な成分と垂直な成分の強度を表している。この異方性比ｒを検出するために、この方法で用いられるＤＮＡチップ読み取りと装置としては、例えば図４に示したものが使用される。
【００２８】
光源２９を出射した励起光は、レンズ３０を経て、偏光フィルター３１に入射し、直線偏光とされる。この直線偏光は、ダイクロイックミラー３２で反射して対物レンズ３３を通り、あらかじめ、ハイブリダイゼーション操作が行われたＤＮＡチップ１を照明する。
【００２９】
励起光によって励起された蛍光は、対物レンズ３３で集められ、ダイクロイックミラー３２を通過し、偏光ビームスプリッタ３４に入射する。この偏光ビームスプリッタ３４によって、励起された蛍光のうち電界の振動方向が紙面に垂直な方向の成分(ｓ偏光)は反射され、レンズ３５によって第１のＣＣＤカメラ３６に結像する。また、励起された蛍光のうち、電界の振動方向が紙面に平行な成分(ｐ偏光)は、この偏光ビームスプリッタ３４を透過し、レンズ３７によって第２のＣＣＤカメラ３８上に結像する。それぞれのＣＣＤカメラ３６、３８の画像は、画像処理装置３９に入力される。
【００３０】
このような測定を、励起光の偏光方向を紙面に垂直な方向と平行な方向に切り替えて２回行ない、合計４枚の画像を得る。そして、この４枚の画像について、対応する画素毎の受光量から、次式に従って画素値を演算することによって、異方性比ｒ(x,y)画像を得て出力装置４０に出力する。
【００３１】
【数１】
0004320908.tif 000002
【００３２】
【数２】
r(x,y)={Ipp(x,y)-G*Ips(x,y)}/{Ipp(x,y)+2G*Ips(x,y)} … (3)
【００３３】
ここで、Ips、Ippは、それぞれ励起光の偏光がｐ偏光のときの第１と第２のＣＣＤのカメラ３６、３８の画素の受光量であり、Iss、Ispは、それぞれ励起光の偏光がｓ偏光の時の第１と第２のＣＣＤカメラ３６、３８の画素の受光量である。
【００３４】
ＤＮＡチップ１上でハイブリダイゼーションが生じていると、この異方性比が増大する。 よって、この異方性比の値を調べることによって、ハイブリダイゼーションが生じたＤＮＡチップ上のスポットを知ることができる。
【００３５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図４に示すようなＤＮＡチップ読み取り装置では、ダイクロイックミラー３２や偏光ビームスプリッタ３４等を使用した光学系を使用しているため、装置が大型化してしまうという欠点があった。また、同じ測定点を測定するに際し、光源をｐ偏光とｓ偏光に切り替えて測定を行う必要があり、この切替は機械的に行われるので時間を要し、全体としてスループットが低下してしまうという問題点もあった。
【００３６】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、以上説明したようなＤＮＡチップの読み取り装置等に使用される、物体の偏光異方性を測定する装置を小型化するとともに、迅速な測定を行えるようにし、もって、小型でスループットの良いＤＮＡチップの読み取り装置を提供することを課題とする。
【００３７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための第１の手段は、光源からの偏光をＤＮＡチップに照射し、ＤＮＡチップから発生する蛍光の異方性を計測することにより、当該ＤＮＡチップ上のハイブリダイゼーションを測定するＤＮＡチップ読み取り装置であって、光源と、基板に設けられた導波路と、当該導波路中に設けられたオンオフ可能なＴＥ／ＴＭモード変換器と、対物レンズと、前記導波路中に設けられたＴＥ／ＴＭモードスプリッタと、２つの受光器を有してなり、光源からの光は、前記導波路、ＴＥ／ＴＭモード変換器及び対物レンズを介して被測定物体に照射され、ＤＮＡが発する蛍光は、前記対物レンズを介して前記導波路に入射し、前記導波路中で分岐されて、ＴＥ／ＴＭモードスプリッタによりＴＥモード光とＴＭモード光に分離され、それぞれ２つの受光器に受光されるようにされていることを特徴とするＤＮＡチップ読み取り装置（請求項１）である。
【００３８】
本発明においては、基本的な光学装置として、基板上に形成された導波路、ＴＥ／ＴＭモード変換器、ＴＥ／ＴＭモードスプリッタを使用している。光源から導波路に導入されたＴＥモード、又はＴＭモードの偏光は、導波路を伝播してＴＥ／ＴＭモード変換器に入る。このＴＥ／ＴＭモード変換器は、外部からの電圧操作により、モード変換を行ったり行わなかったりすることができ、これにより、ＴＥ／ＴＭモード変換器を出る偏光を、電気信号による操作で、ＴＥモードとしたりＴＭモードとしたりすることができる。
【００３９】
ＴＥ／ＴＭモード変換器を出た偏光は、再び導波路を通ってその出射端より放出され、対物レンズを介してＤＮＡチップアレイを照明する。すると、前述したように、ＤＮＡチップにおけるハイブリダイゼーションに応じた偏光異方性を有する蛍光が、ＤＮＡチップから発生する。
【００４０】
この蛍光は、対物レンズより、前記導波路の出射端に集められる。このとき、ＤＮＡチップ面の像が、前記導波路の出射端に結像するように、対物レンズを調整しておくことが好ましい。前記導波路の出射端に集められた蛍光は、この導波路を逆方向に進行するが、この導波路には途中に分岐点が設けられており、この蛍光は２つに分岐され、その一方が受光器側に導かれる。
【００４１】
受光器側の導波路の途中には、ＴＥ／ＴＭモードスプリッタが設けられているので、これにより、蛍光はＴＥモードの光とＴＭモードの光に分離され、導波路を介してそれぞれの受光器によって受光される。
【００４２】
このような装置を用いて蛍光の異方性比ｒ（x,y）を測定するには、まず、ＴＥ／ＴＭモード変換器を動作させない状態で、２つの測定器によりＴＥモードの蛍光とＴＭモードの蛍光の強さを測定し、次にＴＥ／ＴＭモード変換器を動作させて、２つの測定器によりＴＥモードの蛍光とＴＭモードの蛍光の強さを測定する。これにより、４つの測定量を得て、前記(2)、(3)式により蛍光の異方性比ｒ（x,y）を算出する。そして、測定位置を変えることにより、ＤＮＡチップの各点での異方性比ｒ（x,y）の測定を行う。
【００４３】
このような光学装置においては、基板上に微細な導波路、ＴＥ／ＴＭモード変換器、ＴＥ／ＴＭモードスプリッタがフォトリソグラフィ等を使用して形成されているので、全体の構成を微小なものにすることができる。また、照射光源として利用する偏光のモードの切替を電気的に行うことができるので、測定のスループットが向上する。
【００４４】
前記課題を解決するための第２の手段は、光源からの偏光をＤＮＡチップに照射し、ＤＮＡチップから発生する蛍光の異方性を計測することにより、当該ＤＮＡチップ上のハイブリダイゼーションを測定するＤＮＡチップ読み取り装置であって、ＴＥモード光、ＴＭモード光をそれぞれ発する光源と、基板に設けられた導波路と、対物レンズと、前記導波路中に設けられたＴＥ／ＴＭモードスプリッタと、２つの受光器を有してなり、２つの光源からの光路は、前記導波路中で１つの導波路にまとめられ、各光源からの光は、まとめられた前記１つの導波路から対物レンズを介して被測定物体に照射され、ＤＮＡが発する蛍光は、前記対物レンズを介して前記導波路に入射し、前記導波路中で分岐されてＴＥ／ＴＭモードスプリッタによりＴＥモード光とＴＭモード光に分離され、それぞれ２つの受光器に受光されるようにされていることを特徴とするＤＮＡチップ読み取り装置（請求項２）である。
【００４５】
前記第１の手段においては、光源を１つとし、ＴＥ／ＴＭモード変換器によって照射光の偏光モードを変えていたが、本手段においては、ＴＥ／ＴＭモード変換器を用いず、異なるモードの偏光を発生する光源を２つ用い、それぞれの光源からの光路を導波路中で合流させている。そして、２つの光源を切り替えて使用することにより、照射される偏光のモードを変える。その他の作用効果については、前記第１の手段と同じであるので、説明を省略する。
【００４６】
前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段又は第２の手段であって、光源及び受光素子の少なくとも１つが前記基板の端面に配設されていることを特徴とするもの（請求項３）である。
【００４７】
基板上に形成された導波路に光源からの光を導入したり、導波路からの光を受光器に導くのには、従来は光ファイバー等を使用していた。本発明においては、光源及び受光素子を前記基板の端面に配設しているので、光ファイバー等の光伝達手段が不必要となり、全体の構成がコンパクトとなる。
【００４８】
前記課題を解決するための第４の手段は、前記第１の手段又は第２の手段であって、光源及び受光素子の少なくとも１つが、前記基板中に形成されていることを特徴とするもの（請求項４）である。
【００４９】
本手段においては、リソグラフィー等により、光源及び受光素子の少なくとも一つが、導波路やＴＥ／ＴＭモード変換器、ＴＥ／ＴＭモードスプリッタが形成されている基板中に形成されている。よって、全体の構成をさらにコンパクトなものとすることができる。
【００５０】
前記課題を解決するための第５の手段は、前記第１の手段から第４の手段のいずれかであって、前記導波路と前記受光素子の間に光学フィルタが配設されていることを特徴とするもの（請求項５）である。
【００５１】
本手段においては、導波路と前記受光素子の間に光学フィルタが配設されているので、ＤＮＡチップから反射されて受光器に達しようとする照射光（励起光）と、ＤＮＡチップが発する蛍光を分離することができ、蛍光の検出性能を向上させることができる。
【００５２】
前記課題を解決するための第６の手段は、前記第１の手段から第５の手段のいずれかであって、前記導波路の分岐点からＴＥ／ＴＭモードスプリッタに至る導波路中に、前記導波路に入射した光源からの光の、ＤＮＡチップからの反射光を反射するコリニアグレーティング波長フィルタを有することを特徴とするＤＮＡチップ読み取り装置（請求項６）である。
【００５３】
本手段においては、コリニアグレーティング波長フィルタにより、ＤＮＡチップから反射された照射光（励起光）を反射して通過させないようにすることができるので、ＤＮＡチップが発する蛍光の検出性能を向上させることができる。
【００５４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の例を図を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態の１例であるＤＮＡチップ読み取り装置の全体構成を示す概要図である。図１において、１はＤＮＡチップ、２は試料台、３はＸ軸ガイドレール、４はモータ、５はＸ軸ウォームギア、６はＹ軸ウォームギア、７はモータ、８は読み取りヘッド、９は制御装置、１０は表示装置である。
【００５５】
ＤＮＡチップ１は、試料台２の上に固定されている。ＤＮＡチップ１は、蛍光マーキングを施されたＤＮＡプローブを有しており、更に、検体によるハイブリダイゼーション処理が終了している。試料台２の両側には、Ｘ軸ガイドレール３およびモーター４に固定されたＸ軸ウオームギヤ５がそれぞれ配設されている。Ｘ軸ガイドレール３とX軸ウオームギヤ５をまたぐようにＹ軸ウオームギヤ６が配置され、このＹ軸ウオームギヤ６はモーター７で駆動される。Ｙ軸ウオームギヤ６は、Ｘ軸ウオームギヤ５により、Ｘ軸に沿って自由に動かすことができる。このＹ軸ウオームギヤ６には、読取光学系を内包した読み取りヘッド８が取り付けられている。読み取りヘッド８は、Ｙ軸ウオームギヤ６によってＹ軸に沿って自由に動かすことができる。
【００５６】
制御装置９は、読み取りヘッド８がＤＮＡチップ１全体をＸ−Ｙ方向に走査するようにモーター４、７ を制御する。具体的には、特定のＸ座標で読み取りヘッド８をＹ軸全体に１方向走査し、特定のＸ座標を有する測定点のデータを採取する。その後、１ピッチ分だけＸ座標を進め、今度は、先程と反対のＹ軸方向に読み取りヘッド８を走査する。そして、これにより、新しいＸ座標を有する測定点のデータを採取する。これをＤＮＡチップ１の測定対象領域全体を走査するまで繰返す。制御装置９は、前記走査の間、読み取りヘッド８から出力される蛍光強度を読み取りヘッド８のＸ−Ｙ座標とともに記録し、表示装置１０に表示する。
【００５７】
図２に、図１に示された読み取りヘッド８の構成の概要を示す。図２において、１はＤＮＡチップ、１１は基板、１２は励起用光源、１３は光導波路、１４、１５、１６は電極、１７は導波路分岐部、１８は光導波路、１９は対物レンズ、２０は光導波路、２１は導波路型ＴＥ／ＴＭモードスプリッタ、２２はアルミクラッド、２３、２４は光導波路、２５、２６は光検出器、２７、２８は波長フィルタである。
【００５８】
読み取りヘッド内には、光導波路１３、１８、２０、２３、２４が表面に形成された基板１１が配設されている。基板１１は、Ｘ-cutＺ軸伝搬のニオブ酸リチウム（LiNbＯ3）基板であり、幅10mm、高さ20mm、厚さ１mmである。光導波路は、チタン拡散法にて作製されている。
【００５９】
基板１１の端面に結合された励起用光源１２からの光は、光導波路１３を伝搬する。励起用光源１２には、その出射光の偏光方向がＴＥモードで光導波路１３を伝搬するように配置されたレーザーを使用している。
【００６０】
３つの電極１４、１５、１６はＴＥ／ＴＭモードコンバータとして働き、光導波路１３を伝搬するＴＥモード光をＴＭモード光に変換する働きをする。すなわち、これらの電極間に電圧が印加されない場合は、ＴＥモード光がそのまま通過し、電圧を印加するとＴＥモード光がＴＭモード光に変換される。電極１４は接地電極であり、電極１５にはＴＥ／ＴＭモード変換用電圧が印加される。また、電極１６には、ＴＥ／ＴＭモード間複屈折補償のための電圧が印加される。（詳細については、例えば、社団法人電子情報通信学会、信学技報、OQE93-146(1993-12)、P67-72に報告されている。）
【００６１】
導波路１３を通った光は、導波路分岐部１７を経て、光導波路１８の端面から出射する。導波路１８の端面から出射した光は、対物レンズ１９を介してＤＮＡチップ１上を照明する。ＤＮＡチップ１上のスポットで発生した蛍光は、対物レンズ１９により、光導波路１８の端面に集光され、光導波路１８中を伝搬する。
【００６２】
光導波路１８を伝搬した蛍光の一部は、導波路分岐部１７で分岐され、その一部が光導波路２０に入射する。光導波路２０を伝搬した蛍光は、周知の導波路型ＴＥ／ＴＭモードスプリッタ２１に入射する。ここで用いられている導波路型ＴＥ／ＴＭモードスプリッタ２１は、アルミ装荷の方向性結合器型のものであり、アルミクラッド２２が方向性結合器の片側に配置されている。この導波路型ＴＥ／ＴＭモードスプリッタ２１によって、ＤＮＡチップ１からの蛍光のうちＴＥモード成分は光導波路２３を伝搬し、ＴＭモード成分は、光導波路２４を伝搬する。
【００６３】
光導波路２３、２４のそれぞれの出射端には、光検出器２５、２６が配置されている。光検出器２５、２６と光導波路２３、２４の間には、励起光の波長の光を遮断し、ＤＮＡチップ１からの蛍光を透過する波長フィルター２７、２８が配置されている。光検出器２５、２６からの出力は、図１の制御装置９に入力される。
【００６４】
図２におけるＴＥ／ＴＭモードコンバータ部分の断面図を図３に示す。図３において、図２と同じ構成要素には同じ符号を示し、その説明を省略する。１１’はSiＯ2薄膜である。
【００６５】
ニオブ酸リチウム（LiNbＯ3）基板１１の表面にTiがドープされ、Ti:LiNbＯ3からなる光導波路１３が形成されている。基板１１の表面には、SiＯ2薄膜１１’からなる絶縁層が形成され、その上に電極１４、１５、１６が形成されている。光導波路１３の幅は数μｍ、深さは約１μｍである。よって、その端面から放出される照射光は、点光源からの光とみなすことができる。
【００６６】
図１における制御装置９は、電極１５、１６に印加する電圧をオンオフすることにより、励起光の偏光をＴＥモード又はＴＭモードに切り替える。制御装置９は、あるＸ，Ｙ座標において、まず、励起光をＴＥモードにしてその時の２つの光検出器２５、２６の出力を記録し、次に励起光をＴＭモードにして、２つの光検出器２５、２６の出力を記録する。
【００６７】
続いて、前述のように、モータ４、７を駆動して次の走査点に読み取りヘッド８を移動して、その点での出力を同様に記録する。これをＤＮＡチップ１の全走査領域に対して行い、各Ｘ，Ｙ座標について、光検出器２５、２６の出力を合計４つずつ記録する。これらの４つの出力は、前述のIpp、Ips、Iss、Ispに対応しており、前述の式(2)、(3)を用いて各Ｘ，Ｙ座標における蛍光の異方性比を求めることができる。制御装置９は、このようにして求めた異方性比を測定点のＸ，Ｙ座標に対応させて２次元の画像として表示装置１０に表示する。
【００６８】
本実施の形態においては、読み取りヘッド８が小さな基板１１上に集積化しているため、装置全体を小型にすることができる。また、電気光学効果を用いて偏光素子を物理的に回転させることなく励起光の偏光方向を切り替えることができるため、高速な読み取りも期待できる。
【００６９】
なお、以上の実施の形態においては、基板１１の材料として、ニオブ酸リチウムを使用していたが、タンタル酸リチウム、ガリウム砒素、インジウムリン等の材料を使用することができる。特に、ガリウム砒素、インジウムリンを用いた場合には、励起光発生用の光源及び光検出器を、リソグラフィ技術を用いて基板１１中に組み込むことが可能になるので、読み取りヘッド８の構成をさらに小型化にすることができる。
【００７０】
また、以上の実施の形態においては、光検出器２５、２６と光導波路２３、２４の間には、励起光の波長の光を遮断し、ＤＮＡチップ１からの蛍光を透過する波長フィルター２７、２８を設けていたが、この代わりに、又はこれに加えて、励起光の波長の光を反射するコリニアグレーティング波長フィルタを、図２の光導波路２０、又は光導波路２３、２４中に設けてもよい。
【００７１】
さらに、以上の実施の形態においては、１つの励起光用光源を使用し、ＴＥ／ＴＭモードコンバータによって、ＴＥモードの光とＴＭモードの光を切り替えるようにしていたが、ＴＥモードの励起光を発する光源と、ＴＭモードの励起光を発する光源の２つを使用し、これらからの光をそれぞれ光導波路に入射させ、２つの光導波路を結合させて１つの導波路とし、その端面から放出される光を対物レンズに導くようにしてもよい。この場合は、２つの光源を切り替えて使用する。
【００７２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のうち請求項１に係る発明及び請求項２に係る発明においては、全体の構成を微小なものにすることができ、かつ測定のスループットを向上させることができる。そのため、臨床や税関現場でのＤＮＡ判定を促進することができる。
【００７３】
請求項３に係る発明及び請求項４に係る発明においては、光ファイバー等の光伝達手段が不必要となり、全体の構成がコンパクトとなる。
請求項５に係る発明及び請求項６に係る発明においては、蛍光の検出性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の１例であるＤＮＡチップ読み取り装置の全体構成を示す概要図である。
【図２】図１に示された読み取りヘッド８の構成の概要を示す図である。
【図３】図２におけるＴＥ／ＴＭモードコンバータ部分の断面を示す図である。
【図４】従来のＤＮＡチップ読み取り装置の構成の概要を示す図である。
【符号の説明】
１…ＤＮＡチップ、２…試料台、３…Ｘ軸ガイドレール、４…モータ、５…Ｘ軸ウォームギア、６…Ｙ軸ウォームギア、７…モータ、８…読み取りヘッド、９…制御装置、１０…表示装置、１１…基板、１１’…SiＯ2薄膜、１２…励起用光源、１３…光導波路、１４、１５、１６…電極、１７…導波路分岐部、１８…光導波路、１９…対物レンズ、２０…光導波路、２１…導波路型ＴＥ／ＴＭモードスプリッタ、２２…アルミクラッド、２３、２４…光導波路、２５、２６…光検出器、２７、２８…波長フィルタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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