(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に試料が配置されたバイオチップ読み取り装置において、
レーザ光源と、
前記レーザ光源の出力光を平行光にするレンズと、
前記出力光の内特定波長を透過させ励起光として出力する励起フィルタと、
前記励起光により試料で生じる蛍光を検出する光検出素子と、
前記試料が配置されたバイオチップで生じた前記蛍光を前記光検出素子に集光する対物レンズとを備え、
前記励起光を走査しながら前記バイオチップの基板に対して臨界角以上で入射すること
を特徴とするバイオチップ読み取り装置。
【請求項２】
前記光検出素子が、前記バイオチップの試料が配置された側からの蛍光を検出することを特徴とする
請求項１記載のバイオチップ読み取り装置。
【請求項３】
前記光検出素子が、前記バイオチップの試料が配置された側とは反対側からの蛍光を検出することを特徴とする
請求項１記載のバイオチップ読み取り装置。
【請求項４】
前記励起光を前記バイオチップの試料が配置された側とは反対側から入射させることを特徴とする
請求項１記載のバイオチップ読み取り装置。
【請求項５】
前記励起光を前記バイオチップの試料が配置された側から入射させることを特徴とする
請求項１記載のバイオチップ読み取り装置。
【請求項６】
前記バイオチップの前記試料が配置された以外の部分にマスクを形成したことを特徴とする
請求項１記載のバイオチップ読み取り装置。
【請求項７】
前記バイオチップに金属薄膜を形成し前記励起光により前記金属薄膜表面に表面プラズモンを発生させ、この表面プラズモンにより前記蛍光を発生させることを特徴とする
請求項１記載のバイオチップ読み取り装置。
【請求項８】
前記金属薄膜を前記バイオチップに電圧を印加するための電極として用いたことを特徴とする
請求項７記載のバイオチップ読み取り装置。
【請求項９】
前記試料が、
ＤＮＡであることを特徴とする
請求項１記載のバイオチップ読み取り装置。
【請求項１０】
前記試料が、
ＲＮＡであることを特徴とする
請求項１記載のバイオチップ読み取り装置。
【請求項１１】
前記試料が、
蛋白であることを特徴とする
請求項１記載のバイオチップ読み取り装置。
【請求項１２】
前記試料が、
糖鎖であることを特徴とする
請求項１記載のバイオ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、ＤＮＡチップやプロテインチップ等のバイオチップの読み出し装置に関し、特にＳ／Ｎが向上しコストダウンが可能なバイオチップ読み出し装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
バイオチップは、例えば、ＤＮＡチップは数千から数万種類の既知のＤＮＡの断片を基板上にアレイ状に配置したものである。このようなＤＮＡチップに未知のＤＮＡの断片を流した場合に同じ種類のＤＮＡ同士で結合する性質を利用して結合が生じた既知のＤＮＡをバイオチップ読み出し装置を用いて調べることにより、未知のＤＮＡの配列等を特定するものである。
【０００３】
図７はこのようなバイオチップにおけるハイブリダイゼーションの一例を示す説明図である。図７中“ＳＢ０１”に示す基板上には図５中”ＤＮ０１”、”ＤＮ０２”、”ＤＮ０３”、”ＤＮ０４”、”ＤＮ０５”及び”ＤＮ０６”に示す６種類のＤＮＡの断片がアレイ状に配置されＤＮＡチップを構成している。
【０００４】
一方、図７中”ＵＮ０１”は未知のＤＮＡの断片であり、このＤＮＡの断片は図７中”ＬＭ０１”に示すように蛍光標識が予め付加されている。このような未知のＤＮＡの断片を前述のＤＮＡチップにハイブリダイズさせることにより、配列が相補的なＤＮＡ同士が結合する。
【０００５】
例えば、図７中”ＣＢ０１”に示すように図７中”ＵＮ０１”の未知のＤＮＡの断片は図７中”ＤＮ０１”に示す既知のＤＮＡの断片と結合する。
【０００６】
バイオチップ読み出し装置を用いてこのようにハイブリダイズされたＤＮＡチップに励起光を照射し、前記蛍光標識で発生する蛍光を検出することにより、既知のＤＮＡの内でどのＤＮＡと結合したかを識別することができる。
【０００７】
例えば、図７中”ＳＩ０１”に示すようなＤＮＡチップを走査した結果のイメージにおいて、図７中”ＣＢ０１”が生じた部分のみが蛍光を生じるので図７中”ＬＤ０１”に示す部分のみから蛍光が検出されることになる。
【０００８】
但し、未知のＤＮＡの断片をハイブリダイズさせる液体中の混在物やその後の工程等に起因してＤＮＡチップ上にゴミが付着する。特に当該ゴミが有機系のゴミである場合には励起光によりセルよりも強い蛍光発光を生じてしまうため、この蛍光発光がノイズとなってＳ／Ｎが悪化してしまうと言った問題点があった。
【０００９】
図８はこのような問題点を解決した従来のバイオチップ読み出し装置の一例を示す構成ブロック図である。図８において１はレーザ光源等の励起光を出力する光源、２は及び８はレンズ、３はダイクロイックミラー、４はピンホール板、５は対物レンズ、６は複数個のセルがアレイ状に配置されたバイオチップであるＤＮＡチップ、７はフィルタ、９は光電子増倍管（Photomultiplier Tube）等の光検出素子である。
【００１０】
また、図８中”ＣＬ０１”、”ＣＬ０２”及び”ＣＬ０３”は試料である同一種類のＤＮＡの断片が複数個配置されている前述のセルである。
【００１１】
光源１の出力光は励起光としてレンズ２で集光されダイクロイックミラー３で反射され、ピンホール板４上に形成されたピンホールを通過する。ピンホールを通過した励起光は対物レンズ５を介してＤＮＡチップ６上のセルに集光される。例えば、図８中”ＣＬ０２”に示すセルに対して励起光が照射される。
【００１２】
そして、励起光によりセルで生じた蛍光は対物レンズ５を介して再びピンホール板４上に形成されたピンホールを通過し、ダイクロイックミラー３を透過し、ダイクロイックミラー３を透過した蛍光はフィルタ７を透過してレンズ８により光検出素子９に集光される。
【００１３】
また、ＤＮＡチップ６は図示しない駆動手段により走査される。例えば、ＤＮＡチップ６上の他のセルである図８中”ＣＬ０１”及び”ＣＬ０３”に示すセルに対して励起光が照射するように図８中”ＭＶ０１”に示す方向に走査される。
【００１４】
ここで、図８に示す従来例の動作を説明する。図８において励起光はピンホール板４上に形成されたピンホールと通過し、この励起光によりセルで生じた蛍光もまた同一のピンホールを通過するためこの光学系は共焦点光学系となり、光軸方向の分解能が向上するので、もし、セルにゴミが付着してる場合であってもセルからの蛍光のみを分離して検出することができる。
【００１５】
この結果、光学系を共焦点光学系にすることにより、セルに付着したゴミの影響を低減することが可能になり、Ｓ／Ｎが向上することになる。
【００１６】
また、従来のバイオチップ読み出し装置では、例えば、「特表平０９−５０４９１０号公報」等に示されるように、ＤＮＡチップに電極を形成して電圧を印加することにより、未知のＤＮＡの断片のＤＮＡチップへのハイブリダイゼーションを加速する方法も考えられている。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図８に示すような従来例では光学系として共焦点光学系を用いるために装置が高価になると共に光学系が複雑になってしまうといった問題点があった。
【００１８】
また、ＤＮＡチップに電極を形成して電圧を印加する方法では、形成された電極による反射光が背景光となってしまいＳ／Ｎが悪化してしまうと言った問題点があった。
従って本発明が解決しようとする課題は、Ｓ／Ｎが向上しコストダウンが可能なバイオチップ読み出し装置を実現することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
基板上に試料が配置されたバイオチップ読み取り装置において、レーザ光源と、前記レーザ光源の出力光を平行光にするレンズと、前記出力光の内特定波長を透過させ励起光として出力する励起フィルタと、前記励起光により試料で生じる蛍光を検出する光検出素子と、前記試料が配置されたバイオチップで生じた前記蛍光を前記光検出素子に集光する対物レンズとを備え、
前記励起光を走査しながら前記バイオチップの基板に対して臨界角以上で入射することにより、試料にエバネッセント光が照射されて、Ｓ／Ｎが向上し、単純な光学系でよいのでコストダウンが可能になる。また、スペックルノイズの発生を防止できる。
【００２０】
請求項２記載の発明は、
請求項１記載の発明であるバイオチップ読み出し装置において、
前記光検出素子が、前記バイオチップの試料が配置された側からの蛍光を検出することにより、試料にエバネッセント光が照射されて、Ｓ／Ｎが向上し、単純な光学系でよいのでコストダウンが可能になる。
【００２１】
請求項３記載の発明は、
請求項１記載の発明であるバイオチップ読み出し装置において、
前記光検出素子が、前記バイオチップの試料が配置された側とは反対側からの蛍光を検出することにより、ＮＡ（開口数）が向上して更にＳ／Ｎが向上する。
【００２２】
請求項４記載の発明は、
請求項１記載の発明であるバイオチップ読み出し装置において、
前記励起光を前記バイオチップの試料が配置された側とは反対側から入射させることにより、試料にエバネッセント光が照射されて、Ｓ／Ｎが向上し、単純な光学系でよいのでコストダウンが可能になる。
【００２３】
請求項５記載の発明は、
請求項１記載の発明であるバイオチップ読み出し装置において、
前記励起光を前記バイオチップの試料が配置された側から入射させることにより、試料にエバネッセント光が照射されて、Ｓ／Ｎが向上し、単純な光学系でよいのでコストダウンが可能になる。
【００２４】
請求項６記載の発明は、
請求項１記載の発明であるバイオチップ読み出し装置において、
前記バイオチップの前記試料が配置された以外の部分にマスクを形成したことにより、エバネッセンス光がゴミを照射することを防止できるのでさらにＳ／Ｎが向上することになる。
【００２５】
請求項７記載の発明は、
請求項１記載の発明であるバイオチップ読み出し装置において、
前記バイオチップに金属薄膜を形成し前記励起光により前記金属薄膜表面に表面プラズモンを発生させ、この表面プラズモンにより前記蛍光を発生させることにより、試料に表面プラズモンが照射されて、Ｓ／Ｎが向上し、単純な光学系でよいのでコストダウンが可能になる。
【００２６】
請求項８記載の発明は、
請求項７記載の発明であるバイオチップ読み出し装置において、
前記金属薄膜を前記バイオチップに電圧を印加するための電極として用いたことにより、ＤＮＡはマイナスに帯電しているため、この電極にプラスの電圧を印加することにより、ハイブリダイゼーションを加速することができる。
【００２７】
請求項９記載の発明は、
請求項１記載の発明であるバイオチップ読み出し装置において、
前記試料が、
ＤＮＡであることにより、ハイブリダイゼーションにより相補的な配列を有する既知のＤＮＡと蛍光標識が付加された未知のＤＮＡが結合して未知のＤＮＡの配列を特定することができる。
【００２８】
請求項１０記載の発明は、
請求項１記載の発明であるバイオチップ読み出し装置において、
前記試料が、
ＲＮＡであることにより、ハイブリダイゼーションにより相補的な配列を有する既知のＲＮＡと蛍光標識が付加された未知のＲＮＡが結合して未知のＲＮＡの配列を特定することができる。
【００２９】
請求項１１記載の発明は、
請求項１記載の発明であるバイオチップ読み出し装置において、
前記試料が、
蛋白であることにより、抗原抗体反応により既知の蛋白と蛍光標識が付加された未知の蛋白が結合して未知の蛋白の配列を特定することができる。
【００３０】
請求項１２記載の発明は、
請求項１記載の発明であるバイオチップ読み出し装置において、
前記試料が、
糖鎖であることにより、抗原抗体反応により既知の糖鎖の蛋白と蛍光標識が付加された未知の糖鎖が結合して未知の糖鎖の配列を特定することができる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係るバイオチップ読み出し装置の一実施例を示す構成ブロック図である。図１において１０はレーザ光源等の光源、１１はレンズ、１２は励起フィルタ、１３は複数個のセルがアレイ状に配置されたバイオチップであるＤＮＡチップ、１４は対物レンズ、１５はフィルタ、１６はＣＣＤ等の光検出素子である。
【００３７】
また、図１中”ＣＬ１１”、”ＣＬ１２”及び”ＣＬ１３”は試料である同一種類のＤＮＡの断片が複数個配置されている前述のセルである。
【００３８】
光源１０の出力光はレンズ１１で平行光され励起フィルタ１２で特定波長のみが透過し励起光としてＤＮＡチップ１３のセルが配置された側とは反対側から斜めに入射される。具体的には、ＤＮＡチップ１３への入射角が臨界角を超えるように斜めに入射させる。
【００３９】
そして、励起光によりセルで生じた蛍光は対物レンズ１４によりフィルタ１５を介して光検出素子１６に集光される。
【００４０】
ここで、図１に示す実施例の動作を説明する。一般に、高屈折率媒質であるＤＮＡチップ１３の基板から低屈折率媒質である空気に対して臨界角以上で光が入射すると媒質の境界面で入射光は全反射する。
【００４１】
但し、入射光エネルギーの一部は低屈折率媒質側を通って反射光になる。このように低屈折率媒質側に一時的に漏れた光をエバネッセント光と呼び、エバネッセント光が存在する場所をエバネッセント場と呼ぶ。
【００４２】
図２は図１中”ＣＬ１２”に示すセルの部分を拡大表示した説明図であり、図２中”θ”を臨界角以上とし、図２中”ｔ”に示すエバネッセント場の厚さは入射光の波長程度となるので、例えば、励起フィルタ１２により励起光の波長を”５００ｎｍ”とすれば、エバネッセント場の厚さ”ｔ”は”５００ｎｍ”程度になる。
【００４３】
言い換えれば、境界面からエバネッセント場の中では励起光が一時的に透過しているのでＤＮＡチップ１３の基板上に形成されたチップに対して励起光が照射されることになる。
【００４４】
また、例えば、前述のエバネッセント場の厚さ”５００ｎｍ”はＤＮＡ鎖よりも十分厚く図２中”ＤＳ１１”や”ＤＳ１２”に示すゴミ（数１０μｍ）よりも十分薄くなるので、ゴミの影響を低減することができＳ／Ｎが向上する。
【００４５】
この結果、励起光をＤＮＡチップ１３のセルが配置された側とは反対側から入射角が臨界角を超えるように斜めに入射させることにより、セルにエバネッセント光が照射されて、Ｓ／Ｎが向上し、単純な光学系でよいのでコストダウンが可能になる。
【００４６】
なお、図２中”ＴＥ１１”はＩＴＯ（インジウム・スズ酸化膜）等の透明電極であり、ＤＮＡチップの電極としてこのような透明電極を用いることにより、形成された電極による反射光が背景光となることを防止することができ、Ｓ／Ｎが向上することになる。
【００４７】
また、図１等の説明に際してはバイオチップとしてＤＮＡチップを例示しているが、勿論ＤＮＡチップに限定されるものではなく、ＲＮＡ，蛋白、糖鎖等を透明な基板上にアレイ状に配置したものであっても構わない。
【００４８】
この場合、ＲＮＡはＤＮＡと同じくハイブリダイゼーションにより、蛋白及び糖鎖等は抗原抗体反応により相補的な配列を有する既知の試料と蛍光標識が付加された未知の試料が結合することになる。
【００４９】
また、励起光の光源１０としてはレーザ光源を例示したがレーザ光源であっても、白色光源、例えば、ハロゲンランプ、水銀ランプ、キセノンランプ等の非レーザ光源であっても構わない。
【００５０】
また、図１に示す実施例では光検出素子１６をＤＮＡチップ１３のうちセルが配置された側に設けているが、セルが配置された側と反対側に設けても構わない。
【００５１】
図３はこのような本発明に係るバイオチップ読み出し装置の他の実施例を示す構成ブロック図である。図３において１０〜１３、”ＣＬ１１”、”ＣＬ１２”及び”ＣＬ１３”は図１と同一符号を付してあり、１４ａは対物レンズ、１５ａはフィルタ、１６ａは光検出素子である。
【００５２】
光源１０の出力光はレンズ１１で平行光され励起フィルタ１２で特定波長のみが透過し励起光としてＤＮＡチップ１３のセルが配置された側とは反対側から斜めに入射される。具体的には、ＤＮＡチップ１３への入射角が臨界角を超えるように斜めに入射させる。
【００５３】
そして、励起光によりセルで生じた蛍光は対物レンズ１４ａによりフィルタ１５ａを介して光検出素子１６ａに集光される。
【００５４】
この場合、ＤＮＡチップ１３の基板の材質を、例えば、ガラスとすればその屈折率は”１．５”であるので液浸と同等の効果が生じてＮＡ（開口数）が向上して更にＳ／Ｎが向上する。
【００５５】
また、図１に示す実施例では励起光をＤＮＡチップ１３のうちセルが配置された側と反対側から入射しているが、セルが配置された側から入射しても構わない。
【００５６】
図４は本発明に係るバイオチップ読み出し装置の他の実施例を示す構成ブロック図である。図４において１３，１４ａ〜１６ａ、”ＣＬ１１”、”ＣＬ１２”及び”ＣＬ１３”は図３と同一符号を付してあり、１０ａは光源、１１ａはレンズ、１２ａは励起フィルタである。
【００５７】
光源１０ａの出力光はレンズ１１ａで平行光され励起フィルタ１２ａで特定波長のみが透過し励起光としてＤＮＡチップ１３のセルが配置された側から斜めに入射される。具体的には、ＤＮＡチップ１３への入射角が臨界角を超えるように斜めに入射させる。
【００５８】
そして、励起光によりセルで生じた蛍光は対物レンズ１４ａによりフィルタ１５ａを介して光検出素子１６ａに集光される。
【００５９】
この場合、ＤＮＡチップ１３の基板に入射した励起光は図４中”ＲＬ１１”に示すように基板内で全反射を繰り返して図４中”ＥＬ１１”に示すチップ部分で生じるエバネッセンス光により蛍光が生じる。
【００６０】
また、図１及び図３に示す実施例においてＤＮＡチップ１３のうちセル以外の部分にマスクを形成してもかまわない。図５は図１中”ＣＬ１２”に示すセルの部分を拡大表示した説明図であり、１３，”ＣＬ１２”，”ＤＳ１１”及び”ＤＳ１２”は図２と同一符号を付してある。
【００６１】
図５中”ＭＳ１１”及び”ＭＳ１２”はＤＮＡチップ１３の基板上に形成されたマスクであり、このようなマスクを設けることによりエバネッセンス光が図５中”ＤＳ１１”及び”ＤＳ１２”に示すようにゴミを照射することを防止できるのでさらにＳ／Ｎが向上することになる。
【００６２】
また、光源がレーザ光源の場合には出力光であるレーザ光を集光しないとスペックルノイズが発生するので、ＤＮＡチップを焦点とするレーザ光をＤＮＡチップ上に集光すれば良い。この集光したビームを静止させたままでもレーザのスポット径の広さは測定できるが、さらに、集光ビームを走査するとより広い面積の測定が可能になる。また、レーザビームは複数本であっても構わない。
【００６３】
また、図１等に示す実施例ではエバネッセンス光を用いてセルを照射しているが、基板の表面に金属薄膜を形成することによって生じる共鳴プラズモンを用いても構わない。
【００６４】
図６は本発明に係るバイオチップ読み出し装置のセルの部分を拡大表示した説明図である。図６において１３，”ＣＬ１２”、”ＤＳ１１”及び”ＤＳ１２”は図５と同一符号を付してあり、図６中”ＭＬ１１”は金属薄膜である。
【００６５】
共鳴プラズモンとはＤＮＡチップ１３の基板を介して図６中”ＭＬ１１”に示す金属薄膜に励起光が入射されると図６中”ＳＰ１１”に示すような金属薄膜の表面に励起光の波長と同程度の厚さに表面プラズモンと呼ばれる電子の疎密波、言い換えれば、電磁波（光）が発生する。そして、チップではこの疎密波により蛍光発光が生じる。
【００６６】
さらに、この金属薄膜をバイオチップに電圧を印加するための電極として用いても構わない。この場合には、ＤＮＡはマイナスに帯電しているため、この電極にプラスの電圧を印加することにより、ハイブリダイゼーションを加速することができる。
【００６７】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
請求項１，２，４及び請求項５の発明によれば、励起光を走査しながらＤＮＡチップに対して入射角が臨界角を超えるように斜めに入射させることにより、セルにエバネッセント光が照射されて、Ｓ／Ｎが向上し、単純な光学系でよいのでコストダウンが可能になる。また、スペックルノイズの発生を防止できる。
【００６８】
また、請求項３の発明によれば、光検出素子が、バイオチップの試料が配置された側とは反対側からの蛍光を検出することにより、ＮＡ（開口数）が向上して更にＳ／Ｎが向上する。
【００７１】
また、請求項６の発明によれば、バイオチップの試料が配置された以外の部分にマスクを形成したことにより、エバネッセンス光がゴミを照射することを防止できるのでさらにＳ／Ｎが向上することになる。
【００７２】
また、請求項７の発明によれば、バイオチップに金属薄膜を形成し励起光により金属薄膜表面に表面プラズモンを発生させ、この表面プラズモンにより蛍光を発生させることにより、試料に表面プラズモンが照射されて、Ｓ／Ｎが向上し、単純な光学系でよいのでコストダウンが可能になる。
【００７３】
また、請求項８の発明によれば、金属薄膜をバイオチップに電圧を印加するための電極として用いることにより、ＤＮＡはマイナスに帯電しているため、この電極にプラスの電圧を印加することにより、ハイブリダイゼーションを加速することができる。
【００７４】
また、請求項９及び請求項１０の発明によれば、試料がＤＮＡ若しくはＲＮＡであることにより、ハイブリダイゼーションにより相補的な配列を有する既知の試料と蛍光標識が付加された未知の試料が結合して未知の試料の配列を特定することができる。
【００７５】
また、請求項１１及び請求項１２の発明によれば、試料が蛋白若しくは糖鎖であることにより、抗原抗体反応により既知の試料と未知の試料が結合して未知の試料の種類を特定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るバイオチップ読み出し装置の一実施例を示す構成ブロック図である。
【図２】セルの部分を拡大表示した説明図である。
【図３】本発明に係るバイオチップ読み出し装置の他の実施例を示す構成ブロック図である。
【図４】本発明に係るバイオチップ読み出し装置の他の実施例を示す構成ブロック図である。
【図５】セルの部分を拡大表示した説明図である。
【図６】本発明に係るバイオチップ読み出し装置のセルの部分を拡大表示した説明図である。
【図７】バイオチップにおけるハイブリダイゼーションの一例を示す説明図である。
【図８】従来のバイオチップ読み出し装置の一例を示す構成ブロック図である。
【符号の説明】
１，１０，１０ａ  光源
２，８，１１，１１ａ  レンズ
３  ダイクロイックミラー
４  ピンホール板
５，１４，１４ａ  対物レンズ
６，１３  ＤＮＡチップ
７，１５，１５ａ  フィルタ
９，１６，１６ａ  光検出素子
１２，１２ａ  励起フィルタ
【図１】
0003783826.tif 000002
【図２】
0003783826.tif 000003
【図３】
0003783826.tif 000004
【図４】
0003783826.tif 000005
【図５】
0003783826.tif 000006
【図６】
0003783826.tif 000007
【図７】
0003783826.tif 000008
【図８】
0003783826.tif 000009