JP2001108684A - DNA testing method and DNA testing device - Google Patents
DNA testing method and DNA testing deviceInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】1点ずつ検出する従来法では、多数のセルから
なるDNAチップを高速検出できない。また異物の影響
を除去することが難しく、検出したい絵素寸法がDNA
チップの場合小さくなり蛍光面に焦点を合わせる必要が
あるが従来困難であった。
【解決手段】DNAチップにマルチスポットアレイ光を
同時に励起照射し、蛍光を同時に検出する。更にアレイ
光をアレイ方向に移動すると共に少なくともアレイと直
角な方向に検出系とチップを相対移動し、高速・正確に
検査する。異物からの励起光散乱を検出し、蛍光検出結
果を補正する。また蛍光面に第2の光を斜め照射し、反
射光の位置検出から蛍光面にフォーカスを併せる。
(57) [Summary] A conventional method of detecting one point at a time cannot detect a DNA chip composed of many cells at a high speed. Also, it is difficult to remove the influence of foreign matter, and the size of the pixel
In the case of a chip, it becomes smaller and it is necessary to focus on the phosphor screen, but it has been difficult in the past. Kind Code: A1 A DNA chip is excited and irradiated with multi-spot array light at the same time, and fluorescence is simultaneously detected. Further, the array light is moved in the array direction and the detection system and the chip are relatively moved at least in a direction perpendicular to the array, thereby performing high-speed and accurate inspection. Excitation light scattering from foreign matter is detected, and the fluorescence detection result is corrected. In addition, the fluorescent screen is irradiated with the second light obliquely, and the position of the reflected light is detected to focus on the fluorescent screen.
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明はDNAを蛍光検出に
より検査する装置に関する。特に多数の生体のDNAを
高速に検査するDNA検査方法及びその装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an apparatus for inspecting DNA by fluorescence detection. In particular, the present invention relates to a DNA testing method and apparatus for testing DNA of many living bodies at high speed.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来のDNAチップの検査では、DNA
チップ上に励起光のスポットを1点照射し、この照射し
た励起光により発生する蛍光を共焦点検出することを、
DNAチップと検出スポットとの相対位置を変化させて
チップ上の照射位置を順次変化させることにより、チッ
プ上の所望の場所を順次検出する方法により行ってい
た。2. Description of the Related Art In a conventional DNA chip inspection, DNA
Irradiating a spot of excitation light on the chip at one point, and detecting confocal fluorescence generated by the irradiated excitation light,
By changing the relative position between the DNA chip and the detection spot to sequentially change the irradiation position on the chip, a desired position on the chip is sequentially detected.
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】DNAの検査を、従来
の血液検査のような生体検査に適用しようとすると、多
数の生検体に対し、高速に行うことが不可欠になる。し
かるに、従来の技術では、DNAチップの必要な検査分
解能に対し、この分解能相当の励起光スポットを1点照
射し、得られる蛍光を順次検出していると、検査時間が
大幅にかかる。これは、この1点の検出当たりに必要な
時間が無制限に短くできないことに関係している。即
ち、励起光を照射したのち、蛍光が発生し終わるまでの
時間ΔtLがおおよそ10n秒程度かかるためである。
蛍光が終わるのを待たず次に検出点に移ってしまうと検
出できなくなる。When a DNA test is applied to a biological test such as a conventional blood test, it is essential to perform a high-speed test on a large number of biological samples. However, in the conventional technique, if one excitation light spot corresponding to the required resolution of the DNA chip is irradiated and the obtained fluorescence is sequentially detected, the inspection time is greatly increased. This is related to the fact that the time required for detecting one point cannot be shortened without limit. That is, the time Δt L from the irradiation of the excitation light to the end of the generation of the fluorescence takes about 10 nsec.
If the process moves to the next detection point without waiting for the end of the fluorescence, detection becomes impossible.
【0004】また、上記の必要な検出分解能相当のスポ
ット光サイズ中に、数個の蛍光分子があるような状態ま
で高感度に検出することが必要である。しかし、発生し
た蛍光が総て検出されるわけではない。即ち、検出光学
系の光利用効率や光検出に用いられる光電子倍増管量子
効率が、100%ではない。更に、励起光が蛍光物体で
吸収される効率や、吸収された励起光が蛍光に変わる確
率が小さい。このため、ΔtLの少なくとも数十倍から
数百倍の時間をかけて検出する必要があり、更にこの時
間を長くするほど、フォトンカウントに近い微弱光に対
する検出精度が高くなる。In addition, it is necessary to detect with high sensitivity even a state where several fluorescent molecules are present in the spot light size corresponding to the required detection resolution. However, not all the generated fluorescence is detected. That is, the light utilization efficiency of the detection optical system and the photomultiplier tube quantum efficiency used for light detection are not 100%. Further, the efficiency with which the excitation light is absorbed by the fluorescent object and the probability that the absorbed excitation light is converted into fluorescence is small. For this reason, it is necessary to perform detection at least several tens to several hundreds of times of Δt L , and the longer this time is, the higher the detection accuracy for weak light near the photon count becomes.
【0005】また、このような高速性を実用レベルで達
成するには、DNAチップに混入する各種タンパク質か
らなる異物の影響を除去或いは低減したり、蛍光体を付
加したターゲットをハイブリダイゼーションした検査面
に、検出系の焦点を常時合わせる必要がある。また、複
数の蛍光に対して、高速に検査することが必要になる場
合もある。In order to achieve such a high speed at a practical level, the influence of foreign substances composed of various proteins contaminating the DNA chip is removed or reduced, or the test surface obtained by hybridization with a target to which a fluorescent substance is added is used. In addition, it is necessary to always focus the detection system. In addition, it may be necessary to inspect a plurality of fluorescent lights at high speed.
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明では以下に示す様な手段を施している。Means for Solving the Problems In order to solve the above problems, the present invention provides the following means.
【0007】各セルの寸法D以下のスポット径dからな
り複数Mの励起光を互いに異なる位置に蛍光減衰時間以
上の時間Δtに亘り対物レンズを用いて同時に照射し、
得られる蛍光を蛍光検出光路に導き、DNAチップの照
射スポットと共役な関係にある 結像面で検出し、蛍光
の位置と強度から被検査DNAチップの検査を行う。こ
のとき上記スポット径は上記セル寸法の整数Nに対しほ
ぼ1/Nにする。更に上記照射スポット位置とDNAチ
ップの相対位置を順次j回に亘り異ならしめ全検査対象
位置LN2=Mjを検査する。またNを2以上にしセル
を複数の部分に分割し、1セル内にあるN2個のデータ
の内有意なデータのみを選択し、処理することにより正
確な検査を行う。このようにすることにより、DNAチ
ップの全検査対象サンプル点数LN2に対し、LN2/
(6×105)秒以内の時間で蛍光検出する。A plurality of M excitation light beams having a spot diameter d equal to or smaller than the dimension D of each cell are simultaneously irradiated to different positions using an objective lens for a time Δt equal to or longer than the fluorescence decay time,
The obtained fluorescence is guided to a fluorescence detection optical path, detected on an image forming surface having a conjugate relationship with the irradiation spot of the DNA chip, and the DNA chip to be inspected is inspected from the position and intensity of the fluorescence. At this time, the spot diameter is set to approximately 1 / N with respect to the integer N of the cell size. Further, the irradiation spot position and the relative position of the DNA chip are sequentially changed j times to inspect all the inspection target positions LN 2 = Mj. Further, N is set to 2 or more, the cell is divided into a plurality of parts, and only the significant data of the N 2 data in one cell is selected and processed to perform an accurate inspection. By doing so, the total inspection target sample number LN 2 of DNA chips, LN 2 /
Fluorescence is detected within a time of (6 × 10 5 ) seconds.
【0008】上記DNAチップへの複数MのDNAチッ
プへの照射スポットと共役な関係にある 結像面で照射
スポット像とほぼ同程度の有効径を有するM個の受光開
口を有し、当該受光開口外は遮光し、当該受光開口を透
過した各々の光を検出することにより、照射スポット或
いは照射スポット面以外からの雑音光を除去し信号対雑
音比の高い検査を行っている。また上記照射スポット像
とほぼ同程度の有効径を有するM個の受光開口は光ファ
イバ受光端であり、該ファイバの出射端より出射する光
を検出することにより更に信号対雑音比の大きな検出を
行っている。The image forming apparatus has M light receiving apertures having an effective diameter substantially equal to that of the irradiation spot image on the image forming surface in a conjugate relationship with the irradiation spots of the M chips on the DNA chip. The outside of the opening is shielded, and by detecting each light transmitted through the light receiving opening, noise light from an irradiation spot or a surface other than the irradiation spot surface is removed, and an inspection with a high signal-to-noise ratio is performed. The M light-receiving apertures having an effective diameter substantially the same as the irradiation spot image are optical fiber light-receiving ends. By detecting light emitted from the light-emitting end of the fiber, detection with a larger signal-to-noise ratio can be performed. Is going.
【0009】上記DNAチップへの複数Mの照射スポッ
トはスポット径d、整数kに対しほぼkdの間隔を持っ
て直線上に配列し、このスポットアレイを上記Δt時間
照射後、ほぼdだけアレイ方向に移動し、Δt時間照射
する。この動作を順次k回繰り返すことにより、アレイ
方向にkM個のスポット位置に亘り検査を行い、かつD
NAチップと検査装置を少なくともアレイと直角方向
に、相対的に移動することによりDNAチップの所望の
2次元領域を検査する。また上記スポットアレイの移動
は音響光偏向器を用いて行うことを特徴とする。また整
数kは2以上であることが望ましく、さらにkは5以上
であると信号耐対音比の上で更に有利である。A plurality of M irradiation spots on the DNA chip are arranged in a straight line at intervals of about kd with respect to the spot diameter d and an integer k. And irradiate for Δt time. By repeating this operation sequentially k times, inspection is performed over KM spot positions in the array direction, and D
The desired two-dimensional area of the DNA chip is inspected by relatively moving the NA chip and the inspection device at least in a direction perpendicular to the array. The spot array is moved using an acoustic light deflector. Further, it is desirable that the integer k is 2 or more, and furthermore, if k is 5 or more, it is more advantageous in terms of signal-to-noise ratio.
【0010】上記スポットアレイはマイクロレンズアレ
イで形成する。また上記スポットアレイはホログラムで
形成することもできる。上記スポットアレイのアレイ方
向の移動と同期させ、励起光により生じた蛍光が上記受
光開口上のほぼ同一箇所に来るように蛍光検出光路内に
蛍光検出偏向手段を設ける。この際上記蛍光検出偏向手
段は圧電素子を用いた偏向手段を用いる。また上記蛍光
検出偏向手段は励起光を透過させ、蛍光を反射させる波
長選択ビームスプリッタで構成さすることにより効率よ
く検出できる。また励起光との分離を良くするため励起
光路から分離された蛍光検出光路内に蛍光のみを透過
し、励起光を遮光するフィルタを用いる。[0010] The spot array is formed by a microlens array. Further, the spot array can be formed by a hologram. In synchronization with the movement of the spot array in the array direction, a fluorescence detection deflecting means is provided in the fluorescence detection optical path so that the fluorescence generated by the excitation light comes to substantially the same location on the light receiving aperture. At this time, a deflection unit using a piezoelectric element is used as the fluorescence detection deflection unit. Further, the fluorescence detection / deflection means can be efficiently detected by being constituted by a wavelength selection beam splitter that transmits excitation light and reflects fluorescence. Further, in order to improve the separation from the excitation light, a filter that transmits only fluorescence and blocks the excitation light is used in a fluorescence detection optical path separated from the excitation light path.
【0011】上記M個のマルチ励起スポット光が上記対
物レンズの瞳上でほぼ同一位置Aを通過するようにし、
DNAチップで正反射した当該励起光が対物レンズの瞳
上の位置B’に達するように構成する。このようにし
て、対物レンズの瞳上にあるB′の位置、もしくは蛍光
検出光路内にあり上記対物レンズの瞳と共役な面上の
B’の像位置、に反射励起光を遮光する手段を施すこと
により雑音成分となる励起光を蛍光検出信号から除去す
る。The M multi-excitation spot lights pass through substantially the same position A on the pupil of the objective lens,
The excitation light specularly reflected by the DNA chip is configured to reach a position B ′ on the pupil of the objective lens. In this way, the means for shielding the reflected excitation light at the position B 'on the pupil of the objective lens or at the image position B' on the plane conjugate with the pupil of the objective lens in the fluorescence detection optical path is provided. The excitation light which becomes a noise component by the application is removed from the fluorescence detection signal.
【0012】また上記M個のマルチ励起スポット光が上
記対物レンズの瞳上でほぼ同一位置Aを通過し、DNA
チップで正反射した当該励起光が対物レンズの瞳上の上
記Aとは異なる位置Bを通過するように構成する。この
ようにして対物レンズの瞳もしくは、蛍光検出光路内で
対物レンズの瞳と共役な位置にBを中心に所望の径の反
射励起光を遮光する部材を配置する。このようにして雑
音成分となる励起光を蛍光検出信号から除去する。In addition, the M multi-excitation spot lights pass through substantially the same position A on the pupil of the objective lens, and DNA
The excitation light specularly reflected by the chip is configured to pass through a position B on the pupil of the objective lens different from the position A. In this way, a member that blocks reflected excitation light having a desired diameter around B is arranged at a position conjugate with the pupil of the objective lens or the pupil of the objective lens in the fluorescence detection optical path. In this way, the excitation light that becomes a noise component is removed from the fluorescence detection signal.
【0013】更に上記遮光する反射励起光を正反射励起
光にし、DNAチップ内の異物から散乱した励起光が上
記遮光手段又は遮光部材外から透過するようにして取り
出し、取り出された散乱光を上記蛍光検出光路から分岐
し、DNAチップの照射スポットと共役な位置で撮像し
て、検出する。検出した散乱光の像の撮像情報を用い
て、上記蛍光検出手段で検出した蛍光情報を補正する。
このようにすることによりDNAチップ内に存在する異
物からの散乱光の影響を排除して正確な検出が可能にな
る。Further, the reflected excitation light to be shielded is converted into regular reflection excitation light, and the excitation light scattered from the foreign matter in the DNA chip is extracted so as to be transmitted from outside the light shielding means or the light shielding member. The light is branched from the fluorescence detection optical path, and an image is taken at a position conjugate with the irradiation spot of the DNA chip, and detected. The fluorescence information detected by the fluorescence detection means is corrected using the imaging information of the detected scattered light image.
By doing so, the effect of scattered light from a foreign substance present in the DNA chip can be eliminated, and accurate detection becomes possible.
【0014】上記M個のマルチ励起スポット光をレーザ
光源で形成する。このようにすることにより微小なスポ
ットに強度の大きい励起照射が実現する。またM個のマ
ルチ励起スポット光を複数の半導体レーザ光源により形
成することにより、小さな実装体積でより大きな励起照
射が実現する。この際上記複数の半導体レーザ光源より
出射した光を光ファイバに導入し、M個の所望のピッチ
で整列した当該光ファイバの出射端から出射する構成に
する。このようにすることにより所望のピッチ配列であ
るM個のマルチ励起スポット光を得ることが可能にな
る。The M multi-excitation spot lights are formed by a laser light source. By doing so, excitation light with high intensity is realized on a minute spot. Further, by forming the M multi-excitation spot lights using a plurality of semiconductor laser light sources, a larger excitation irradiation can be realized with a small mounting volume. At this time, the light emitted from the plurality of semiconductor laser light sources is introduced into the optical fiber, and emitted from the emission ends of the optical fibers arranged at M desired pitches. This makes it possible to obtain M multi-excitation spot lights having a desired pitch arrangement.
【0015】光信号蓄積型撮像手段として超高感度のN
x×Ny画素数からなる2次元撮像装置を用い、nx、
nyを整数とし、スポット径dの励起光をx方向にnx
d、y方向にnydのピッチでNx×Nyスポット同時
に照射する。このようにして得られるNx×Nyからな
る蛍光スポット像を超高感度2次元撮像装置で検出し、
かつ検出装置とDNAチップとの相対位置をピッチdで
xy方向にnx×nyステップ移動する。このようにす
ることによりDNAチップの所望の領域を検出すること
が可能になる。An ultra-sensitive N as an optical signal storage type imaging means
Using a two-dimensional imaging device consisting of x × Ny pixels, nx ,
The n y is an integer, n x excitation light spot diameter d in the x-direction
N x × N y spots are simultaneously irradiated at a pitch of n y d in the d and y directions. The fluorescent spot image composed of N x × N y thus obtained is detected by an ultra-high sensitivity two-dimensional imaging device,
Further, the relative position between the detection device and the DNA chip is moved by nx × ny steps in the xy directions at a pitch d. This makes it possible to detect a desired region of the DNA chip.
【0016】また上記励起光は複数の異なる波長からな
り、複数の蛍光体を付加した異なるターゲットを分離し
て検出する。更に上記複数の波長からなる励起光を同時
に照射し、複数の蛍光体を付加した異なるターゲットを
分離して同時に検出する。このようにすることにより多
様な検出対象を高速に行うことが可能になる。The excitation light has a plurality of different wavelengths, and detects different targets to which a plurality of phosphors are added separately. Further, the excitation light having the plurality of wavelengths is simultaneously irradiated, and different targets to which a plurality of fluorescent substances are added are separated and detected simultaneously. This makes it possible to perform various detection targets at high speed.
【0017】上記被検査DNAチップの所望の蛍光体を
付加したターゲットをハイブリダイゼーションした検査
面上に、上記励起スポット光の近傍に第2の光を斜め入
射させ、該検査面で反射した光の位置を検出することに
より焦点検出する。この検出情報に基づき検査面と上記
対物レンズの相対距離を制御することにより焦点合わせ
を行うことが可能になる。また、上記第2の斜め入射さ
せる光が対物レンズを通過するように構成することによ
り、簡単な構成で焦点検出、制御が可能になる。The second light is obliquely incident near the excitation spot light on the inspection surface of the DNA chip to be inspected on which the target to which the desired fluorescent substance is added is hybridized, and the light reflected by the inspection surface is reflected by the second light. Focus detection is performed by detecting the position. Focusing can be performed by controlling the relative distance between the inspection surface and the objective lens based on this detection information. In addition, by configuring the second obliquely incident light to pass through the objective lens, focus detection and control can be performed with a simple configuration.
【0018】上記第2の斜め入射させる光を検出面にた
いしS偏光にする。このようにすることにより、蛍光検
出面での反射率を高め、正しい焦点検出が可能になる。
更に上記第2の斜め入射させる光は上記蛍光体を励起し
ない波長を用いる。このようにすることにより、蛍光検
出信号に雑音を重畳させずに正確な検出が可能になる。The second obliquely incident light is converted into S-polarized light with respect to the detection surface. By doing so, the reflectance on the fluorescence detection surface is increased, and correct focus detection can be performed.
Further, the second obliquely incident light has a wavelength that does not excite the phosphor. This enables accurate detection without superimposing noise on the fluorescence detection signal.
【0019】[0019]
【発明の実施の形態】図1は、本発明の実施形態を示す
図である。1は蛍光検出のために、マルチスポット励起
光形成し、DNAチップ2に照射するマルチスポット励
起光照射系であり、3はマルチスポット励起光で発生し
た蛍光を検出する蛍光検出系である。11は励起光光源
と励起光のビーム成形光学系を含む励起光源である。H
e−Neレーザ光を焦点距離の異なる2個のシリンドリ
カルレンズで所望の縦横ビーム径比に成形し、ミラー1
000を経由しAO偏向器に入射させる。AO偏向器に
は水晶振動子に印加する周波数ωの高周波電圧端子とこ
の周波数より低い振幅信号ωVの入力端子がある。FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of the present invention. Reference numeral 1 denotes a multi-spot excitation light irradiation system for forming multi-spot excitation light and irradiating the DNA chip 2 for fluorescence detection, and reference numeral 3 denotes a fluorescence detection system for detecting fluorescence generated by the multi-spot excitation light. An excitation light source 11 includes an excitation light source and an excitation light beam shaping optical system. H
The e-Ne laser beam is shaped into a desired vertical / horizontal beam diameter ratio by two cylindrical lenses having different focal lengths.
000 through the AO deflector. The AO deflector has an input terminal of the low amplitude signal omega V from this frequency and high-frequency voltage terminal of the frequency omega to be applied to the crystal oscillator.
【0020】制御回路4から送られる周波数ωの信号は
ω±ω0の範囲の周波数帯を持っている。周波数が変わ
るとAO偏向器に入射する励起光の回折角が変わる。ま
た制御回路4から振幅信号ωVを入力すると回折効率が
変わるので、回折光の強度を制御することができる。A
O偏向器を通った回折光は0次光(図示せず)と分離さ
れ(0次光は遮光される)、焦点距離f1とf2の2つ
のレンズ131と132からなるレンズ系13により所
望のビーム系でマイクロレンズアレー14を照射する。
AO偏光器の周波数を変化させると、マイクロレンズア
レー14に入射する励起光の位置は変わらずに角度が変
化する。[0020] The signal of frequency ω sent from the control circuit 4 has a frequency band in the range of ω ± ω 0. When the frequency changes, the diffraction angle of the excitation light incident on the AO deflector changes. Since the diffraction efficiency from the control circuit 4 and inputs the amplitude signal omega V is changed, it is possible to control the intensity of the diffracted light. A
Diffracted light passing through the O deflector 0 order light is separated (not shown) (0-order light is blocked) by the lens system 13 consisting of the focal length f 1 and two lenses 131 and 132 of f 2 The microlens array 14 is irradiated with a desired beam system.
When the frequency of the AO polarizer is changed, the position of the excitation light incident on the microlens array 14 does not change and the angle changes.
【0021】図4はマイクロレンズアレー14の拡大詳
細図である。ガラスでできた微小マイクロレンズが1次
元状に32〜256個、多数並んでおり、ここに入射し
た光は、例えば実線で示す1010はマイクロレンズを
透過し、各マイクロレンズ141,142……を透過
し、焦点面Σ上の直線Lの上に微小スポット111,1
12……11Mを結ぶ。AO偏向器の周波数を変えると
図4の点線で示すようにマイクロレンズに入射する励起
光の角度が変化し、直線L上の微小スポットの位置が1
j21、1j22……1j2Mの様に変化する。FIG. 4 is an enlarged detailed view of the microlens array 14. A large number of 32 to 256 microscopic microlenses made of glass are arranged one-dimensionally, and the light incident on the microlenses 1010 indicated by solid lines, for example, passes through the microlenses and passes through the microlenses 141, 142,. The small spots 111 and 1 which are transmitted and are on the straight line L on the focal plane Σ
12 ... 11M is connected. When the frequency of the AO deflector is changed, the angle of the excitation light incident on the microlens changes as shown by the dotted line in FIG.
j 2 1, 1j 2 2... 1j 2 M.
【0022】マイクロレンズアレー14の焦点面Σ上に
できた微小スポットアレー111,112……11Mは
図1に示すようにレンズ15と対物レンズ16によりD
NAチップ2のハイブリダイゼーションされたターゲッ
トに付加した蛍光体を照射し、励起する。このターゲッ
トが付いているガラス面Σ1又はΣ2(詳しくは図33
参照)上で最小のビーム径となるように対物レンズ16
のフォーカスがなされる。The minute spot arrays 111, 112,..., 11M formed on the focal plane の of the micro lens array 14 are formed by a lens 15 and an objective lens 16 as shown in FIG.
The fluorescent substance added to the hybridized target of the NA chip 2 is irradiated and excited. Glass surface # 1 or # 2 with this target (see FIG. 33 for details)
So that the objective lens 16 has a minimum beam diameter.
Focus is made.
【0023】図2はDNAチップ2の面構造の詳細を示
したものである。縦横の細い線で示した正方形の最小単
位201,211,202,212等は検出絵素を表
す。図では5×5の絵素(太い線で示す)分がセル20
である。1つのセルには同一のDNA情報の断片が植え
られている。従ってこのセルには同じDNA断片構造を
持つターゲットがハイブリダイズされる。FIG. 2 shows the details of the surface structure of the DNA chip 2. Square minimum units 201, 211, 202, 212 and the like shown by thin vertical and horizontal lines represent detected picture elements. In the figure, 5 × 5 picture elements (indicated by thick lines) are cells 20
It is. The same DNA information fragment is planted in one cell. Therefore, targets having the same DNA fragment structure are hybridized to this cell.
【0024】このように1つのセルを複数の絵素で分割
する理由は1つのセル内に異物であるタンパク質等が混
入していたとき、このタンパク質に入射した励起光によ
り、大きな強度の蛍光が発生するようなことが生じる。
通常このような異物の寸法はせいぜい数μmであるの
で、絵素寸法が数μmであり、セルの寸法が例えば10
μmならば、10μmのセル内の異物位置が後述するよ
うな方法で検出、分離できれば、異物部分以外の情報に
より蛍光の大きさを正確に求めることが可能になる。The reason why one cell is divided into a plurality of picture elements as described above is that, when a protein or the like as a foreign substance is mixed in one cell, fluorescence of high intensity is generated by excitation light incident on the protein. What happens is what happens.
Usually, the size of such a foreign substance is several μm at most, so that the pixel size is several μm and the cell size is, for example, 10 μm.
In the case of μm, if the position of a foreign substance in a 10 μm cell can be detected and separated by a method described later, the magnitude of the fluorescence can be accurately obtained from information other than the foreign substance part.
【0025】図3はDNAチップの側面図である。この
絵ではハイブリダイズされているターゲットがガラス基
板の上に裸で乗っている構造になっている。このような
場合もあるし、後述するようにガラス基板の間に挟まれ
ている場合もある。いずれにしてもターゲットのある面
に微小励起光スポットが集光される。この集光径は図2
で示した正方形最小単位である検出の絵素の寸法にほぼ
等しい。FIG. 3 is a side view of the DNA chip. In this picture, the hybridized target has a structure in which it is naked on a glass substrate. In such a case, it may be sandwiched between glass substrates as described later. In any case, the minute excitation light spot is focused on a certain surface of the target. This focusing diameter is shown in FIG.
Is approximately equal to the size of the picture element to be detected, which is the minimum unit of square shown by.
【0026】AO偏向器の初期の周波数では図1の実線
で示す回折光が得られており、このときには図3に示す
ようにDNAチップに101,102,103……の様
に励起光スポットアレイがDNAチップ上の絵素20
1,202,203……20Mに照射され、後述するよ
うに各絵素の蛍光が検出される。この励起光の照射時間
は蛍光減衰時間以上の時間Δt(数〜数百μs)で、本
実施形態例では60μsである。At the initial frequency of the AO deflector, diffracted light indicated by a solid line in FIG. 1 is obtained. At this time, as shown in FIG. 3, an excitation light spot array such as 101, 102, 103. Is the picture element 20 on the DNA chip
1, 202, 203... 20M, and the fluorescence of each picture element is detected as described later. The irradiation time of the excitation light is a time Δt (several to several hundred μs) which is equal to or longer than the fluorescence decay time, and is 60 μs in this embodiment.
【0027】60μs経過後、AO偏向器の周波数が変
えられると励起光の回折角が変わり、図1および図4で
示すように、マイクロレンズアレーには点線で示す10
j20の光が入射し、図3のDNAチップには111,
112,113……11Mの様に励起光スポットアレイ
が照射され、211,212,213……21Mの絵素
の蛍光が検出される。このようにしてM個のマルチスポ
ットが絵素ピッチずつずれて順次照射され、j絵素分ず
れるとjM絵素分が総て検出されることになる。After the elapse of 60 μs, when the frequency of the AO deflector is changed, the diffraction angle of the excitation light changes. As shown in FIG. 1 and FIG.
j 20 is incident on the DNA chip of FIG.
The excitation light spot array is irradiated like 112, 113... 11M, and the fluorescence of the picture elements of 211, 212, 213. In this way, the M multi-spots are sequentially irradiated with a shift of the picture element pitch, and when the picture elements are shifted by j picture elements, all of the jM picture elements are detected.
【0028】次に蛍光検出の実施形態を図1で説明す
る。レンズ15と対物レンズ16の間にあるビームスプ
リッタ30は波長分離ビームスプリッタである。本実施
形態で用いている励起光源HE−Neレーザの波長は6
33nmであり、チップ上のターゲットに付加されてい
る蛍光体はCy5である。検出する蛍光の波長は670
nm近辺である。Next, an embodiment of fluorescence detection will be described with reference to FIG. The beam splitter 30 between the lens 15 and the objective lens 16 is a wavelength splitting beam splitter. The wavelength of the excitation light source HE-Ne laser used in this embodiment is 6
The fluorescent material having a thickness of 33 nm and being added to the target on the chip is Cy5. The wavelength of the fluorescence to be detected is 670
nm.
【0029】波長分離ビームスプリッタ30は633n
mでは45度入射光をほぼ100%透過し、670nm
の蛍光は45度入射でほぼ100%反射である。しかし
633nmもごくわずか反射する。このごくわずかの反
射でも、蛍光が非常に微弱であるので問題となる。そこ
で図1の実施形態では670nmに中心波長特性を持
ち、反値幅が約15nmの干渉フィルタ34を蛍光検出
系3に挿入し、励起光の漏れをこの干渉フィルタで遮光
している。なお34は干渉フィルタに限定されるもので
はなく、ある波長以上は透過し、以下は遮光するいわゆ
る色フィルタを用いても良い。また色フィルタと干渉フ
ィルタを組み合わせて用いても良い。以降の実施形態の
説明では説明の簡潔のため干渉フィルタのみで説明す
る。The wavelength separation beam splitter 30 has 633n.
In the case of m, 45% incident light is transmitted almost 100%, and 670 nm
Is almost 100% reflected at 45 degrees incidence. However, 633 nm is very slightly reflected. Even this slight reflection is a problem because the fluorescence is very weak. Therefore, in the embodiment of FIG. 1, an interference filter 34 having a center wavelength characteristic at 670 nm and a reversal width of about 15 nm is inserted into the fluorescence detection system 3, and leakage of excitation light is shielded by this interference filter. Note that the reference numeral 34 is not limited to the interference filter, and a so-called color filter that transmits light having a certain wavelength or more and blocks light below may be used. Further, a color filter and an interference filter may be used in combination. In the following description of the embodiment, only the interference filter will be described for the sake of simplicity.
【0030】次にAO偏向器を用いてマルチスポット励
起光のDNAチップ上の位置を変化させるときの、検出
蛍光像の位置の変化と、固定の検出器で検出するために
行う必要のある、前記位置変化の補正について説明す
る。図1の波長分離ビームスプリッタ30はこの位置変
化の補正も行っている。図5は図1の主要な部分を示して
おり図1と同一番号は同一物を表している。波長分離ビ
ームスプリッタ30は5〜10kHzの高い共振周波数
特性を持つピエゾ素子301で駆動され、y軸を中心に
微小回転する構造になっている。Next, when the position of the multi-spot excitation light on the DNA chip is changed using the AO deflector, it is necessary to perform the change in the position of the detected fluorescence image and the detection by the fixed detector. The correction of the position change will be described. The wavelength separation beam splitter 30 in FIG. 1 also corrects this position change. FIG. 5 shows the main parts of FIG. 1, and the same numbers as those in FIG. 1 represent the same parts. The wavelength splitting beam splitter 30 is driven by a piezo element 301 having a high resonance frequency characteristic of 5 to 10 kHz, and has a structure in which the beam is minutely rotated around the y axis.
【0031】図6、図7はこの微小回転の役割を示した
図であり、図1と同一番号は同一物を表している。制御
回路4からAO偏向器12に入力される偏向信号によ
り、図6(C)のDNAチップ2上のマルチ励起微小ス
ポット1011、1021、………、10M1のそれぞ
れの位置が1絵素ずつ1012、1022、………、1
0M2と順次変化させていく。このとき図6(D)に示
すように波長分離ビームスプリッタ30が回転しないと
すると、DNAチップと共役な位置にある蛍光検出面Σ
PH上のマルチ蛍光点1211、1221、………、1
2M1はやはり1絵素ずつ1212,1222、……
…、12M2へ変化する。FIGS. 6 and 7 show the role of the minute rotation. The same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same parts. The position of each of the multi-excitation micro-spots 1011, 1021,..., 10M1 on the DNA chip 2 in FIG. , 1022, ..., 1
It is sequentially changed to 0M2. At this time, assuming that the wavelength separation beam splitter 30 does not rotate as shown in FIG.
Multiple fluorescent points 1211, 1221,..., 1 on PH
2M1 is also 1212, 1222, one pixel at a time.
..., it changes to 12M2.
【0032】蛍光検出面上の蛍光スポット像1212
は、図に示すように、蛍光検出用マイクロレンズアレー
321により1212点が光ファイバ束322の1本の
ファイバ端に結像し、ファイバに入射する。1本の光フ
ァイバは光が通る芯3221とそれを保護する部分32
22から成り立っている。光が通る芯の径は、蛍光検出
面ΣPH上の(マルチ)蛍光点1211よりやや大き
い。しかし、波長分離ビームスプリッタ30が回転しな
いと、1211点がAO偏向器の駆動により1212,
1213,1214、………と移動し、ファイバ入射端
からずれていき、検出できなくなってしまう。そこ高い
共振周波数特性を持つピエゾ素子301で図7に示すよ
うに波長分離ビームスプリッタ30を微小回転駆動す
る。A fluorescent spot image 1212 on the fluorescent detection surface
As shown in the figure, 1212 points are imaged on one fiber end of the optical fiber bundle 322 by the fluorescence detection microlens array 321 and are incident on the fiber. One optical fiber has a core 3221 through which light passes and a portion 32 for protecting the core.
22. Diameter of the core through which light is slightly greater than the fluorescence detection surface sigma PH on the (multi) fluorescence point 1211. However, if the wavelength separation beam splitter 30 does not rotate, 1211 points are driven by the AO deflector to 1212 points.
, 1213, 1214,..., Which are shifted from the fiber incident end, and cannot be detected. Then, as shown in FIG. 7, the wavelength separation beam splitter 30 is minutely rotated by a piezo element 301 having a high resonance frequency characteristic.
【0033】すなわち微小回転しない場合の図6では、
蛍光微小スポット像1211が異なる場所1212,1
213,1214に移動したのに対し、微小回転するこ
とにより、図7の点線の枠内に示すようにΣPH上のほ
ぼ同一位置にスポットがくる。That is, in FIG.
Locations 1212, 1 where fluorescent minute spot image 1211 is different
Whereas moved to 213,1214, by micro rotary come spot at substantially the same position on the sigma PH as shown in the dotted box in FIG.
【0034】図8は、以上説明したAO偏向器12のO
N−OFFあるいは強度変調信号SA12、同じくAO
偏向器の偏向信号SB12、波長分離ビームスプリッタ
30を偏向駆動するピエゾ素子301の駆動信号
S30、ファイバ32を介してk番目の1つのフォトマ
ル33で検出する蛍光検出信号S33k、この蛍光検出
信号の絵素ごとの画像蓄積(積分)信号S′33k、お
よびこの画像蓄積の各絵素毎の最終結果(画像蓄積して
いき、励起スポット光が次の絵素の励起に移る前の時刻
でS′33kをサンプルホルドした値)S″33kにつ
いて各信号の相対的な時間変化を表している。このグラ
フの実施例ではマルチスポット励起光をAO偏向器によ
り順次1絵素ずつずらして行き、このようにして1つのス
ポットを10絵素まで順次ずらしている。FIG. 8 shows the OO deflector 12 described above.
N-OFF or intensity modulated signal S A12 , also AO
The deflection signal S B12 of the deflector, the driving signal S 30 of the piezo element 301 for deflecting the wavelength separation beam splitter 30, the fluorescence detection signal S 33k detected by the k-th single photomultiplier 33 via the fiber 32, and the fluorescence The image accumulation (integration) signal S ' 33k for each picture element of the detection signal, and the final result of each picture element of this image accumulation (the image accumulation is performed, and the excitation spot light is shifted to the excitation of the next picture element). the S '33k for samples formate de value) S "33k at time represents the relative time change of each signal. the multi-spot excitation light in the embodiment of this graph is shifted one by one picture element by AO deflector Then, one spot is sequentially shifted up to 10 picture elements in this way.
【0035】このずらす数は、各絵素の検出のSNを向
上させるため2以上必要であり、大きいほどSN向上を
図る上で望ましいが、装置の構成部品上の制限等により
自ずと上限がある。しかし5以上にすると隣接するスポ
ット励起光による光路途中の異物照射に伴う散乱光、あ
るいは蛍光の影響等が大幅に少なくなる。The number of shifts is required to be 2 or more in order to improve the SN for detecting each picture element. The larger the number, the better in order to improve the SN. However, there is a natural upper limit due to restrictions on the components of the apparatus. However, when the number is set to 5 or more, the influence of the scattered light or the fluorescence due to the irradiation of the foreign matter on the optical path by the adjacent spot excitation light is greatly reduced.
【0036】図8に示すようにAO偏向器12の周波数
(超音波水晶振動子に与える超音波の周波数、すなわち
偏光器の偏向角度)信号SB12を順次ステップ的に変
え、この間この変化に応じて波長分離ビームスプリッタ
30を偏向駆動するピエゾ素子301の駆動信号
S30、を線形に変化させる。AO偏向器12が超音波
の伝播による透明媒体の屈折率のごくわずかな変化によ
り、光を回折させているのに対し、ピエゾ素子301は
ビームスプリッタ全体を駆動させるため、周波数応答性
が異なるため早いAO偏向器の信号SB12はステッ
プ、遅いピエゾ素子の駆動信号S30は線形にしてい
る。[0036] (ultrasonic frequency applied to the ultrasonic crystal oscillator, i.e. the deflection angle of the polarizers) frequency of the AO deflector 12, as shown in FIG. 8 sequentially stepwise changing the signal S B12, depending on this change during this time The driving signal S 30 for the piezo element 301 that drives the wavelength separation beam splitter 30 to deflect is linearly changed. While the AO deflector 12 diffracts light due to a very small change in the refractive index of the transparent medium due to the propagation of ultrasonic waves, the piezo element 301 drives the entire beam splitter, and therefore has a different frequency response. signal S B12 early AO deflector step, the drive signal S 30 of the slow piezoelectric elements are linearly.
【0037】図9はこの2つの信号により蛍光検出面Σ
PH上できる蛍光スポット像の位置を示した図である。
この図の上から下への変化は時間tの経過を表してい
る。左の2つのグラフはSB12、とS30の変化であ
り、図8ではステップ数が10であったが、この図ではス
テップ数が5である。図9のグラフの右側にある実線の丸
○、3211′、3221′、3231′………は蛍光
検出マルチスポット像が図6で説明したようにピエゾ素
子による位置補正をおこなわない場合の像の位置ずれを
示している。なお、図の右方向(横方向)はスポットア
レイの配列方向xAを表しており実線の丸○、321
2′、3222′、3232′………は隣接する蛍光ス
ポット像の位置ずれを示している。点線の丸○はピエゾ
素子により位置補正を行った結果である。FIG. 9 shows the fluorescence detection surface に よ り based on these two signals.
It is a figure showing the position of the fluorescent spot image which can be carried out on PH .
The change from the top to the bottom of this figure represents the passage of time t. The two graphs on the left show changes in S B12 and S 30. In FIG. 8, the number of steps is 10, but in this figure, the number of steps is 5. The solid circles 、, 3211 ', 3221', 3231 '... On the right side of the graph in FIG. 9 indicate the fluorescence detection multi-spot images when the position correction by the piezo element is not performed as described with reference to FIG. This shows a position shift. Incidentally, the right direction (lateral direction) in the figure by the solid line represents the arrangement direction x A spot array circle ○, 321
.., 2 ′, 3222 ′, 3232 ′... Indicate positional deviations of adjacent fluorescent spot images. The dotted circles ○ indicate the results of position correction performed by the piezo element.
【0038】すなわち、AO偏向器でステップ移動し、
励起光が停止していても、ピエゾ素子は線形に偏向を駆
動しているため励起光が停止している間に蛍光検出面Σ
PH上できる蛍光スポット像の位置は3211-、32
11,3211+とわずかではあるが動いてしまう(隣
の蛍光スポット像の位置では3212-、3212,3
212+とわずかではあるが動いてしまう)。That is, the AO deflector step-moves,
Even when the excitation light is stopped, the piezo element drives the deflection linearly, so that the fluorescence detection surface can be stopped while the excitation light is stopped.
Position of the fluorescent spot image can on PH is 3211 -, 32
11, 3211 + (although there is a slight movement at the position of the adjacent fluorescent spot image, 3212 − , 3212, 3
212 + and there is only a will to move it).
【0039】励起光がDNAチップ上の次の照射位置に
ステップ移動し停止している間には、蛍光スポット像の
位置は、3221-、3221,3221+とわずかでは
あるが動いてしまう(隣の蛍光スポット像の位置では3
222-、3222,3222+とわずかではあるが動い
てしまう)。この蛍光スポット像のわずかな動きをカバ
ーして検出するには図9の下の図10に示すように蛍光
検出受光面(あるいは受光面と共役な面)320にアレ
イ方向xAに長い長円開口の配列3201,3202…
……320Mを設ける。上記のファイバでの検出の場合
にはファイバの入射端面がこの長円を含めば良い。While the excitation light is stepped to the next irradiation position on the DNA chip and stopped, the position of the fluorescent spot image moves slightly but to 3221 − , 3221 and 3221 + (next side). 3 at the position of the fluorescent spot image
222 -, will move although it is 3222,3222 + slightly). Slight to be detected by covering moves long the array direction x A fluorescent detecting light-receiving surface (or light-receiving surface and a plane conjugate) 320 as shown in FIG. 10 below in Figure 9 oblong in fluorescence spot image Arrangement of openings 3201, 3202 ...
... 320M are provided. In the case of detection with the above-mentioned fiber, the incident end face of the fiber may include this ellipse.
【0040】図11は、本発明の実施形態を示す図であ
る。図1と同一番号は同一物もしくは同一機能を有する
ものを表す。本図では図1の全体装置のうちマルチスポ
ット励起光発生に関わる部分のみを示している。それ以
外の構成は基本的には図1と同じである。14′はマル
チスポット発生ホログラムである。FIG. 11 is a diagram showing an embodiment of the present invention. The same numbers as those in FIG. 1 indicate the same things or those having the same functions. In this figure, only the part related to the generation of the multi-spot excitation light in the whole apparatus of FIG. 1 is shown. Other configurations are basically the same as those in FIG. 14 'is a multi-spot generating hologram.
【0041】図12は、このマルチスポット発生ホログ
ラムの作成方法を示す図である。図12に示すように、
マルチスポット励起光の寸法に対応したホール径を有す
るピンホールアレイ1j11′、1j12′………1j
1M′開口を有するマスク18にレーザ子を照射し、透過
光をフーリェー変換レンズ15でホログラム記録媒体上
に集光する。この集光位置に参照光1000を入射角φ
=φ0で若干斜めから重ねて照射し、上記の集光位置に
フーリェ変換ホログラムを作る。FIG. 12 is a diagram showing a method for producing this multi-spot generating hologram. As shown in FIG.
Multi pinhole array 1j 1 1 having a hole diameter corresponding to the dimensions of the spot excitation light ', 1j 1 2' ......... 1j
The laser element is irradiated to the mask 18 having a 1 M 'opening, it focused onto the holographic recording medium transmitted light in Furye transform lens 15. The reference beam 1000 is incident on this focusing position at an incident angle φ.
Irradiation is performed slightly obliquely at = 0 to form a Fourier transform hologram at the above condensing position.
【0042】光の利用効率を向上するため、位相変調型
の記録媒体を用いる。またフーリェ変換面上の中心位置
での0次光(空間周波数が0の位置)の強度が桁違いに
大きくなりなり、できたホログラムのSN,回折効率等
が悪くなるのを避けるため各開口には互いの位置に無関
係なランダムな位相を付加しておく。In order to improve the light use efficiency, a phase modulation type recording medium is used. Also, in order to avoid that the intensity of the zero-order light (the position where the spatial frequency is 0) at the center position on the Fourier transform plane is increased by orders of magnitude, the SN and diffraction efficiency of the formed hologram are not deteriorated. Add random phases unrelated to each other.
【0043】このようにして作られたホログラムを図1
1のDNA検査装置のマルチスポット励起光発生系に用
いる。The hologram thus produced is shown in FIG.
This is used for the multi-spot excitation light generation system of the DNA inspection apparatus of No. 1.
【0044】図11のAO偏向器12に入射したレーザ
光は、レンズ系13を通った後、上記の方法で作られた
ホログラム14′を入射角φ0照射する。AO偏向器の
駆動周波数の中心(偏向角度の中心)ではホログラムに
入射するレーザ光の入射角φはφ0となり、図12の方
法でホログラムを作成する時の参照光1000のホログ
ラム面に対する入射角度φ0に等しくなるようにしてお
く。このようにしてホログラムにレーザ光を照射する
と、図11に示すように1j11、1j12………1j
1Mに図12のホログラム作製時のピンホールアレーと
同一のスポットアレイを再生する。The laser beam entering the AO deflector 12 of FIG. 11, after passing through the lens system 13, incident angle phi 0 irradiating a hologram 14 'made in the manner described above. AO deflector center (deflection angle of the center) in the next 0 phi incident angle phi of the laser beam incident on the hologram of the driving frequency, the incident angle to the hologram surface of the reference beam 1000 when creating a hologram by the method of FIG. 12 keep the equal to phi 0. When the hologram is irradiated with the laser beam in this manner, as shown in FIG. 11, 1j 1 1 , 1j 1 2... 1j
To reproduce the same spot array and the pinhole array during hologram production of 12 to 1 M.
【0045】次にAO偏向器の周波数を変化させると、
ホログラムへの入射角度がわずかに変わるので、マルチ
スポット再生光の角度もわずかに変わる。この結果、隣
の絵素に相当する位置を励起照明することになる。AO
偏向器を順次駆動していけばステップ的にDNAチップ
を1絵素ピッチで順次位置を変えてマルチスポット励起
照明することができる。Next, when the frequency of the AO deflector is changed,
Since the angle of incidence on the hologram changes slightly, the angle of the multi-spot reproduction light also changes slightly. As a result, the position corresponding to the adjacent picture element is excited and illuminated. AO
If the deflectors are sequentially driven, multi-spot excitation illumination can be performed by sequentially changing the position of the DNA chip at one pixel pitch in a stepwise manner.
【0046】図13は、本発明のDNA検査装置の実施
形態を示す図である。図1と同一番号は同一物を表して
いる。本実施形態では、図1の実施形態と異なり、同時
に2次元的な検出を行っている。すなわち、励起照明光
は2次元的に広い範囲を同時に照明可能な照明系レンズ
13′を通し、波長選択ビームスプリッタ30′で反射
し、2次元マルチレンズアレー14′を照明する。1
4′の2次元マイクロレンズアレイは、すでに図1〜4
を用いて1次元のマイクロレンズアレイを説明したと同
じ機能を有し、2次元的なアレイ配列のみが異なってい
る。従って図14に示すようにマイクロレンズ141′
の焦点位置に2次元微小スポット1410′を形成す
る。FIG. 13 is a diagram showing an embodiment of the DNA testing apparatus of the present invention. The same numbers as those in FIG. 1 represent the same items. In the present embodiment, unlike the embodiment of FIG. 1, two-dimensional detection is performed simultaneously. That is, the excitation illumination light passes through an illumination system lens 13 'capable of simultaneously illuminating a two-dimensionally wide range, is reflected by a wavelength selection beam splitter 30', and illuminates a two-dimensional multi-lens array 14 '. 1
The 4 'two-dimensional microlens array is already shown in FIGS.
And has the same function as that described for the one-dimensional microlens array, and only the two-dimensional array arrangement is different. Therefore, as shown in FIG.
A two-dimensional minute spot 1410 'is formed at the focal position of.
【0047】本実施形態の場合には、この1410′の
位置を中心にピンホール開口が明けられている。このよ
うにピンホール開口のみを通過する光がDNAチップを
照射する。微小マルチスポット光のスポット1410′
の径dとスポットの配列ピッチpの比は2以上の整数
で、5以上が望ましい。図13に示すようにピンホール
開口を透過した2次元マルチスポット光は高解像レンズ
16′によりDNAチップを同時に励起照射する。励起
照射される絵素2x11y11、2x12y11,2x
11y21、2x21y21、……は4絵素とばして等
ピッチ間隔である。In the case of the present embodiment, a pinhole opening is formed around the position of 1410 '. Thus, the light passing only through the pinhole opening irradiates the DNA chip. Small multi-spot light spot 1410 '
Is an integer of 2 or more, preferably 5 or more. As shown in FIG. 13, the two-dimensional multi-spot light transmitted through the pinhole aperture simultaneously excites and irradiates the DNA chip with the high-resolution lens 16 '. Pixels 2x11y11, 2x12y11, 2x to be irradiated with excitation
11y21, 2x21y21,... Are equal in pitch with four picture elements being skipped.
【0048】同時に励起照射された上記絵素から発生す
る蛍光は上記高解像レンズ16′を通り、マイクロレン
ズアレイ下面の各ピンホール1410′を通過する。ピ
ンポールを通過した光はマイクロレンズを通過すること
により、各マイクロレンズ上面(凸面)の大きさに広が
る。このマイクロレンズ上面の蛍光強度が波長選択ビー
ムスプリッタ30′と 結像レンズ31′を介して画像
蓄積型高感度2次元センサ32′に 結像される。本図
では干渉フィルタが描かれていないが、波長分離ビーム
スプリッタ30′と2次元センサ32′の間に干渉フィ
ルタ、または蛍光より長い波長を透過する色フィルタを
設置する。At the same time, the fluorescent light generated from the picture element, which is excited and irradiated, passes through the high resolution lens 16 'and passes through each pinhole 1410' on the lower surface of the micro lens array. The light passing through the pin pole spreads over the size of the upper surface (convex surface) of each micro lens by passing through the micro lens. The fluorescence intensity on the upper surface of the microlens is imaged on the image storage type high-sensitivity two-dimensional sensor 32 'via the wavelength selection beam splitter 30' and the imaging lens 31 '. Although an interference filter is not shown in this drawing, an interference filter or a color filter transmitting a wavelength longer than fluorescence is provided between the wavelength separation beam splitter 30 'and the two-dimensional sensor 32'.
【0049】図4及び図14に示した1次元及び2次元
のマイクロレンズアレイでは、各マイクロレンズの隣接
するマイクロレンズの中間の領域に入射する光は散乱光
になりノイズ光となる危険性がある。そこでこの中間の
領域を酸化クロム等の材質からなる遮光部で覆うマスキ
ングを行えば(図示せず)このようなノイズを除去する
ことができる。In the one-dimensional and two-dimensional microlens arrays shown in FIGS. 4 and 14, there is a danger that the light incident on the intermediate region between the adjacent microlenses of each microlens becomes scattered light and becomes noise light. is there. Therefore, such a noise can be removed by masking the intermediate region with a light-shielding portion made of a material such as chromium oxide (not shown).
【0050】以上の実施形態、図1,5,7,及び13
に用いている波長分離ビームスプリッタ30,30′と
干渉フィルタ34の分光反射特性と分光透過特性をそれ
ぞれ図15及び図16に示す。両方を用いることにより
励起光の影響を少なくでき、正確な検出ができるように
なる。図でλは励起光の波長であり、通常スポット照射
の単位面積当たりの強度を大きくするためレーザ光を用
いるため励起波長バンド幅は狭い。λLは検出しようと
する蛍光の中心波長である。The above embodiment, FIGS. 1, 5, 7, and 13
FIGS. 15 and 16 show the spectral reflection characteristics and spectral transmission characteristics of the wavelength separation beam splitters 30 and 30 'and the interference filter 34 used in FIG. By using both, the influence of the excitation light can be reduced, and accurate detection can be performed. In the figure, λ is the wavelength of the excitation light, and the excitation wavelength bandwidth is usually narrow because laser light is used to increase the intensity per unit area of the spot irradiation. λ L is the center wavelength of the fluorescence to be detected.
【0051】ハイブリダイゼーションしようとするDN
A断片に付加される蛍光体には、何種類かの蛍光物質が
用いられる。例えば、良く用いられるCy5(Cyan
ine5)では、蛍光体の吸収のピーク波長は649n
m、蛍光のピーク波長は670nmである。また、更に
短波長側では、Cy3(Cyanine3)では蛍光体
の吸収のピーク波長は550nm、蛍光のピーク波長は
570nmである。吸収体の分光吸収特性はバンド幅を
有するため、吸収のピーク波長と励起レーザ光の波長は
必ずしも一致させる必要はなく、吸収ピーク波長に近い
レーザ光が用いられる。The DN to be hybridized
Several types of fluorescent substances are used as the fluorescent substance added to the fragment A. For example, a commonly used Cy5 (Cyan)
In Ine 5), the peak wavelength of the absorption of the phosphor is 649 n.
m, the peak wavelength of the fluorescence is 670 nm. On the shorter wavelength side, in Cy3 (Cyanine3), the peak wavelength of absorption of the phosphor is 550 nm, and the peak wavelength of fluorescence is 570 nm. Since the spectral absorption characteristics of the absorber have a bandwidth, the peak wavelength of absorption and the wavelength of the excitation laser light do not always need to be matched, and laser light close to the absorption peak wavelength is used.
【0052】Cy5ではHe−Neレーザの赤の光63
3nmや波長635nmの半導体レーザ光を、Cy3で
はHe−Neレーザの緑の光544nm等を用いる。蛍
光のみを取り出す干渉フィルタ、及び波長分離ビームス
プリッタは、蛍光のピーク波長に近く、励起光を分離し
やすい波長を中心波長に選ぶ。In Cy5, the red light 63 of the He-Ne laser
A semiconductor laser light having a wavelength of 3 nm or a wavelength of 635 nm is used, and a green light 544 nm of a He—Ne laser or the like is used for Cy3. The interference filter that extracts only the fluorescence and the wavelength separation beam splitter select the center wavelength that is close to the peak wavelength of the fluorescence and easily separates the excitation light.
【0053】上述した蛍光検出に際し、励起光を完全に
遮光することが特に蛍光が微弱な場合に非常に重要とな
る。In the above-described fluorescence detection, it is very important to completely block the excitation light, especially when the fluorescence is weak.
【0054】図17は、このような励起光の遮光をより
完全に行うための本発明の実施形態図である。即ち、上
述の干渉フィルタや波長選択ビームスプリッタのみでは
不十分な場合、或いは、蛍光検出光強度を大きくするた
め、干渉フィルタのバンド半値幅を大きくしようとする
場合に実施する。図17で図1と同一番号は同一物もし
くは同一機能を有するものである。FIG. 17 is an embodiment of the present invention for more completely blocking such excitation light. That is, it is performed when the above-described interference filter or the wavelength selection beam splitter alone is not sufficient, or when the band half-width of the interference filter is to be increased in order to increase the intensity of the fluorescence detection light. 17, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same components or components having the same functions.
【0055】マイクロレンズアレイやホログラムでΣf
面上に形成されたマルチスポットアレイ111,……、
11Mは、レンズ15及び対物レンズ16によりDNA
チップ上に励起光として結像される。この際各マルチス
ポット光が対物レンズの入射瞳EP0の中心にほぼ半径
RNAσ′の広がりで通過する。対物レンズの開口数を
NA,焦点距離をfとすると励起光のDNAチップ上の
スポット径Dsは次式で与えられる。Σ f with a microlens array or hologram
Multi-spot arrays 111, ..., formed on the surface
11M is DNA by lens 15 and objective lens 16.
An image is formed on the chip as excitation light. In this case the multi-spot light passes in the spread of generally radially RNA sigma 'in the center of the entrance pupil EP 0 of the objective lens. When the numerical aperture of the objective lens is NA and the focal length is f, the spot diameter Ds of the excitation light on the DNA chip is given by the following equation.
【0056】Ds=2k1fλ/RNAσ′
(但し k1=0.6) DNAチップ検出の絵素分解能(絵素ピッチ)をpとす
ると、この値はほぼDsに等しい。pを2μm,励起光
波長λを633nmとすると、RNAσ′/fは0.1
9となる。RNAσ′/fは2μmのスポットを照射す
るための照明のNA(2μmスポットを 結像するため
に必要な対物レンズの最低限のNA)でこれをNA′と
すると、 NA′=sin(tan−1(RNAσ′/f))≒R
NAσ′/f=0.19 となる。対物レンズ16のNAは微弱な蛍光を検出する
ため0.7以上0.9以下である。対物レンズの入射瞳
を上記のスポット径で通過した各励起スポット光は、対
物レンズによりDNAチップ上に約2μmの励起スポッ
ト光を照射する。この対物レンズは両テレセントリック
であるため、DNAチップに垂直に入射した励起光はチ
ップ表面で約4〜8%の励起光が正反射し、対物レンズ
に戻ってくる。この正反射光は波長分離ビームスプリッ
タにより、励起光は透過されるが、わずかに反射し蛍光
検出系3に向かう。Ds = 2k 1 fλ / RNA σ ′
(However, k 1 = 0.6) Assuming that the pixel resolution (pixel pitch) of DNA chip detection is p, this value is almost equal to Ds. Assuming that p is 2 μm and the excitation light wavelength λ is 633 nm, RNA σ ′ / f is 0.1
It becomes 9. RNA σ ′ / f is the NA of illumination for irradiating a 2 μm spot (the minimum NA of the objective lens required to image a 2 μm spot), where NA ′ is: NA ′ = sin (tan -1 (RNA σ '/ f)) ≒ R
NA σ ′ / f = 0.19. The NA of the objective lens 16 is 0.7 or more and 0.9 or less in order to detect weak fluorescence. Each excitation spot light having passed through the entrance pupil of the objective lens with the above-mentioned spot diameter irradiates the DNA chip with an excitation spot light of about 2 μm by the objective lens. Since this objective lens is both telecentric, about 4 to 8% of the excitation light vertically incident on the DNA chip is specularly reflected on the chip surface and returns to the objective lens. This specularly reflected light is transmitted by the wavelength splitting beam splitter, but is slightly reflected and directed toward the fluorescence detection system 3 while the excitation light is transmitted.
【0057】蛍光検出系には干渉フィルタ34があり、
励起光は遮光されるが、完全な遮光が難しい。即ち、干
渉フィルタのバンド幅を広くして蛍光をできるだけ多く
検出しようとすると、励起光がわずかに漏れる。そこで
蛍光スポット光を蛍光検出面(或いはそれと共役な面)
に結像検出するレンズ系31′を図のようにレンズ系3
11と312で構成し、対物レンズの瞳が311と31
2の間の位置に結像するようにする。この瞳と共役な位
置に空間フィルタ35を配置する。空間フィルタ35は
図18に示すような構造を持っている。The fluorescence detection system has an interference filter 34,
The excitation light is blocked, but it is difficult to completely block the excitation light. That is, when the bandwidth of the interference filter is widened to detect as much fluorescence as possible, the excitation light leaks slightly. Therefore, the fluorescent spot light is converted to a fluorescence detection surface (or a surface conjugate to it).
A lens system 31 'for detecting an image is connected to a lens system 3 as shown in FIG.
11 and 312, and the pupil of the objective lens is 311 and 31
An image is formed at a position between the two. The spatial filter 35 is arranged at a position conjugate with the pupil. The spatial filter 35 has a structure as shown in FIG.
【0058】レンズ径311による対物レンズ瞳面の空
間フィルタ35への 結像倍率を1倍とする。空間フィ
ルタは、遮光部353の光軸中心から対物レンズの瞳半
径と等しいRNAの半径を有する開口の中心部に、半径
RNAσの円形の遮光部351を有する。DNAチップ
で正反射したマルチスポット励起光はこの空間フィルタ
上でビーム径RNAσ′になっている。従ってRNAσ
>RNAσ′であれば正反射光はこの遮光部351で遮
光される。The magnification of imaging the pupil plane of the objective lens on the spatial filter 35 by the lens diameter 311 is set to 1. The spatial filter has a circular light-shielding portion 351 having a radius of RNA σ from the center of the optical axis of the light-shielding portion 353 to the center of an opening having a radius of RNA equal to the pupil radius of the objective lens. The multi-spot excitation light specularly reflected by the DNA chip has a beam diameter RNA σ 'on this spatial filter. Therefore RNA σ
If it is> RNA σ ', the specularly reflected light is shielded by the light shielding portion 351.
【0059】一方マルチスポット励起光で励起され発生
する蛍光は、ほぼ無指向で対物レンズに入射し、この空
間フィルタに入射してくる。遮光部351により、蛍光
も遮光されるが、遮光される蛍光の空間フィルタ入射蛍
光に対する比率は(NA′/NA)2となり、上記値を
入れると7(NA=0.7の時)〜4(NA=0.9の
時)%になり、このロスは無視できる程度である。On the other hand, the fluorescent light excited and generated by the multi-spot excitation light is incident on the objective lens almost omni-directionally, and is incident on this spatial filter. Although the fluorescent light is also shielded by the light shielding unit 351, the ratio of the shielded fluorescent light to the fluorescent light incident on the spatial filter is (NA ′ / NA) 2 , and when the above value is included, 7 (when NA = 0.7) to 4 (When NA = 0.9), and this loss is negligible.
【0060】このように、検出すべき蛍光の光量を落と
さずに不必要な励起光を大幅に低減しすることができ
る。空間フィルタを透過した蛍光検出光は、レンズ34
と干渉フィルタ34を通り、検出面であるファイバの入
射端にDNAチップのスポット像を結像し、蛍光検出さ
れる。As described above, unnecessary excitation light can be significantly reduced without reducing the amount of fluorescence to be detected. The fluorescence detection light transmitted through the spatial filter is
Through the interference filter 34, a spot image of the DNA chip is formed on the incident end of the fiber which is the detection surface, and the fluorescence is detected.
【0061】図19は、本発明の実施形態を表す図であ
る。励起光を蛍光検出光路に導かないようにする方法を
示す。図1と同一番号は同一物を表す。励起光路と蛍光
検出光路を分岐するビームスプリッタは本実施形態では
偏光ビームスプリッタ30″を用いている。即ち励起光
をこの偏向ビームスプリッタのスプリット面にたいしP
偏光で照射する。DNAチップ表面で反射し戻ってくる
励起光はP偏光を保っているので、偏光ビームスプリッ
タを通過し、蛍光検出光路には入らない。他方発生する
蛍光の偏光は励起光とはずれているので偏光ビームスプ
リッタ30″でS偏光は反射し蛍光検出光路に導かれ
る。このようにすれば励起光の蛍光検出光路への入射を
防ぐことができる。FIG. 19 is a diagram showing an embodiment of the present invention. A method for preventing excitation light from being guided to the fluorescence detection optical path will be described. The same number as FIG. 1 represents the same thing. In this embodiment, a polarization beam splitter 30 ″ is used as a beam splitter for splitting the excitation light path and the fluorescence detection light path. That is, the excitation light is applied to the split surface of the deflection beam splitter by P.
Irradiate with polarized light. The excitation light reflected back on the DNA chip surface keeps the P-polarized light, so it passes through the polarization beam splitter and does not enter the fluorescence detection optical path. On the other hand, since the polarization of the generated fluorescence is deviated from the excitation light, the S-polarized light is reflected by the polarization beam splitter 30 ″ and guided to the fluorescence detection optical path. This prevents the excitation light from entering the fluorescence detection optical path. it can.
【0062】図20は、本発明の実施形態を示す図であ
り、蛍光検出を光ファイバとマルチチャンネル光電子倍
増管を用いて行うものである。図1,5,7,17,及
び19に示した実施形態における蛍光マルチスポット像
の検出具体内容を示している。マルチスポット数がM以
上の数からなるファイバ系32の入射端は図21に示す
ようにM個の1次元配列したマルチレンズアレイ321
である。FIG. 20 is a view showing an embodiment of the present invention, in which fluorescence is detected using an optical fiber and a multi-channel photomultiplier. FIG. 20 shows specific details of detection of a fluorescent multi-spot image in the embodiments shown in FIGS. 1, 5, 7, 17, and 19. FIG. The incidence end of the fiber system 32 having the number of multi-spots of M or more is a multi-lens array 321 of M one-dimensionally arranged as shown in FIG.
It is.
【0063】図7で説明したように、蛍光マルチスポッ
ト像は、各マイクロレンズによりファイバの光を伝搬す
る芯(コア)に入射される。マルチチャンネル光電子倍
増管33が図20に示すように2次元の受光開口配列の
場合には、ファイバの出射端が2次元配列になるように
する。各出射端から出てきた蛍光は、図20の実施形態
の場合には 結像レンズ324により、ファイバ出射端
323が光電子倍増管33の各受光開口331に対応し
て結像するようにする。As described with reference to FIG. 7, the fluorescent multi-spot image is incident on the core through which the light of the fiber propagates by each microlens. When the multi-channel photomultiplier tube 33 has a two-dimensional light receiving aperture arrangement as shown in FIG. 20, the emission ends of the fibers are arranged in a two-dimensional arrangement. In the case of the embodiment shown in FIG. 20, the image of the fluorescence emitted from each emission end is formed by the imaging lens 324 so that the fiber emission end 323 corresponds to each light receiving opening 331 of the photomultiplier 33.
【0064】図21の実施形態の場合には、ファイバの
出射端に2次元レンズアレイ3241が対応して設置さ
れており、各ファイバから出射した蛍光は各レンズを通
り、直接マルチチャンネル光電子倍増管の2次元受光開
口(光電面)3311に集光するようにしている。図2
0,21に示した実施形態では、2次元のマルチチャン
ネル光電子倍増管であったが、1次元のマルチチャンネ
ル光電子倍増管でも、出射端を1次元配列にすることに
より、同じ方法で実現できる。In the case of the embodiment shown in FIG. 21, a two-dimensional lens array 3241 is provided corresponding to the emitting end of the fiber, and the fluorescent light emitted from each fiber passes through each lens and directly passes through the multi-channel photomultiplier tube. The light is focused on the two-dimensional light receiving aperture (photoelectric surface) 3311. FIG.
In the embodiments shown in FIGS. 0 and 21, the two-dimensional multi-channel photomultiplier is used. However, the same method can be used for a one-dimensional multi-channel photomultiplier by arranging the emission ends in a one-dimensional array.
【0065】図22は、本発明の実施形態を示す図であ
る。本実施形態では、励起光として複数の波長を用いて
いる。光源系11A、11B、及び11Cは、異なる波
長λA,λB,及びλCの励起光源からの光を成形し、
ファイバ束に入射させ、出射端にマルチレンズアレイを
配列し、出射後のほぼ集光する位置にピンホールアレイ
を設けている。ピンホールアレイを出射した励起光は、
波長分離ビームスプリッタ30A,30B、30Cを通
るように構成されている。図22に示されているよう
に、11Aが蛍光検出の励起光に選ばれている時には、
λAの励起光がレンズ15を通過して、偏向ミラー30
0で反射され、対物レンズ16を通り、DNAチップ2
をマルチスポット励起照射する。各スポットから発生す
る蛍光は、対物レンズ16、偏向ミラー300、レンズ
15(31)を通り、波長選択ビームスプリッタ30A
で反射し、干渉フィルタ34Aを通り、図20及び21
で説明したような方法で各スポットの蛍光をマルチチャ
ンネル光電子倍増管検出する。FIG. 22 is a diagram showing an embodiment of the present invention. In the present embodiment, a plurality of wavelengths are used as the excitation light. The light source systems 11A, 11B, and 11C shape light from the excitation light sources of different wavelengths λ A , λ B , and λ C ,
A multi-lens array is arranged at the exit end, and a pinhole array is provided at a position where light is condensed substantially after exit. The excitation light emitted from the pinhole array is
It is configured to pass through the wavelength separation beam splitters 30A, 30B, and 30C. As shown in FIG. 22, when 11A is selected as the excitation light for fluorescence detection,
The excitation light of λ A passes through the lens 15 and
0, passes through the objective lens 16 and passes through the DNA chip 2
Is irradiated with multi-spot excitation. Fluorescence generated from each spot passes through the objective lens 16, the deflection mirror 300, and the lens 15 (31), and passes through the wavelength selection beam splitter 30A.
20 and 21 through the interference filter 34A.
The fluorescence of each spot is detected by a multi-channel photomultiplier by the method described in the above section.
【0066】検出する蛍光が異なるタイプの場合には、
制御装置4′から図示していない駆動機構により実線矢
印の方向に光源系全体を移動し、異なる波長λB,及び
λCのいずれかを選択し、この波長で蛍光検出を行う。
1つのDNAチップに複数の蛍光を用いている場合に
は、光源系を順次移動させて、次々に異なる励起光で検
出していく。When the types of fluorescence to be detected are different,
The entire light source system is moved from the control device 4 'in the direction of the solid line arrow by a drive mechanism (not shown) to select any one of the different wavelengths λ B and λ C and perform fluorescence detection at this wavelength.
When a plurality of fluorescent lights are used for one DNA chip, the light source system is sequentially moved, and detection is sequentially performed using different excitation lights.
【0067】図26は、上記の複数の蛍光を用いる場合
の異なる実施形態である。図22と異なり、複数の励起
光を同時に照射し、検査時間の短縮を図ったものであ
る。図26では複数の波長λA′,λB′,及びλC′
が例えば赤、緑、青の3色の光源系11A′、11
B′、及び11C′から出射した光は波長選択合成ミラ
ー51,52により、1つの光路に効率よく合成され
る。即ち波長選択合成ミラー51は青を透過し、緑を反
射する。また波長選択合成ミラー52は赤を透過し、緑
と青を反射する。FIG. 26 shows another embodiment in which a plurality of fluorescent lights are used. Unlike FIG. 22, a plurality of excitation lights are irradiated simultaneously to shorten the inspection time. In FIG. 26, a plurality of wavelengths λ A ′, λ B ′, and λ C ′
Are, for example, light source systems 11A 'and 11 of three colors of red, green and blue.
Light emitted from B 'and 11C' is efficiently combined into one optical path by the wavelength selective combining mirrors 51 and 52. That is, the wavelength selective combining mirror 51 transmits blue and reflects green. The wavelength selective combining mirror 52 transmits red and reflects green and blue.
【0068】合成された3色は、ビームスプリッタ3
0′を透過し、レンズ15、偏向ミラー300、対物レ
ンズ16を通過し、DNAチップ上に3色同時にスポッ
ト励起照明する。各波長でそれぞれの蛍光体が励起さ
れ、それぞれの蛍光色で発光するが、概ね、励起光より
わずかに長い波長の蛍光であるので、これら3波長の光
で励起された3波長の蛍光を、波長分離ビームスプリッ
タ53,54で波長分離することができる。即ち波長分
離ビームスプリッタ53は青の蛍光を反射し、緑と赤を
透過し、波長分離ビームスプリッタ54は緑を反射し、
赤を透過する。The three combined colors are the beam splitter 3
The light passes through 0 ', passes through the lens 15, the deflecting mirror 300, and the objective lens 16, and simultaneously irradiates three colors with spot excitation light on the DNA chip. Each phosphor is excited at each wavelength and emits light in each fluorescent color. However, since the fluorescent light has a wavelength slightly longer than the excitation light, the fluorescent light of the three wavelengths excited by the light of the three wavelengths is The wavelengths can be separated by the wavelength splitting beam splitters 53 and 54. That is, the wavelength separation beam splitter 53 reflects blue fluorescence, transmits green and red, the wavelength separation beam splitter 54 reflects green,
Transmits red.
【0069】このように各3色に分離された光路に、そ
れそれの蛍光のみを純度高く透過させる干渉フィルタ3
4C、34B、及び34Aを配置し、各蛍光の微小スポ
ット像を上述の方法によりファイバを介して、マルチチ
ャンネル光電子倍増管33C′、33B′、及び33
A′で同時に検出する。The interference filter 3 that transmits only the fluorescent light of each color with high purity in the optical path separated into each of the three colors as described above.
4C, 34B, and 34A, and a micro spot image of each fluorescent light is multiplied by a multi-channel photomultiplier tube 33C ', 33B', and 33 through a fiber according to the method described above.
A 'is detected simultaneously.
【0070】図22及び図26の実施形態では、励起マ
ルチスポット光のアレイ方向の走査を偏向ミラー300
で行う。偏向ミラーはピエゾ駆動方式もしくはガルバノ
ミラータイプのものを用いる。この場合、図1で説明し
た実施形態とは異なり、マルチスポットはステップ移動
ではなく、連続(線形)走査になる。DNAチップ上で
のマルチスポットは走査になるが、検出光路にも同じ
(同一の)偏向ミラーが使われているため、蛍光検出の
ファイバー端には動かないマルチスポットが結像してい
る。このため偏向ミラーの偏向角に基づき画素番地が決
定されることになる。In the embodiment shown in FIGS. 22 and 26, scanning of the excitation multi-spot light in the array direction is performed by the deflection mirror 300.
Do with. As the deflecting mirror, a piezo drive type or galvano mirror type is used. In this case, unlike the embodiment described with reference to FIG. 1, the multi-spot is not a step movement but a continuous (linear) scan. The multi-spot on the DNA chip is scanned, but since the same (identical) deflection mirror is used in the detection optical path, an immovable multi-spot is formed at the end of the fiber for fluorescence detection. Therefore, the pixel address is determined based on the deflection angle of the deflection mirror.
【0071】このような画素番地と偏向角の関係に基づ
き、マルチチャンネル光電子倍増管から並列的に得られ
る複数の蛍光検出信号は制御回路4′(図22)や4″
(図26)により整理され、保存される。勿論このよう
なデータ処理には予め計測、検出の条件を入力しておく
必要があり、これら入力情報は端末41′から入力され
るか、或いは上位のコンピュータ40からこれら情報が
入力され、必要に応じて、計測・検査結果のデータがコ
ンピュータに送られる。Based on such a relationship between the pixel address and the deflection angle, a plurality of fluorescence detection signals obtained in parallel from the multi-channel photomultiplier tube are supplied to the control circuit 4 '(FIG. 22) or 4 ".
(FIG. 26). Of course, in such data processing, it is necessary to input measurement and detection conditions in advance, and the input information is input from the terminal 41 ′ or the information is input from the host computer 40, In response, the measurement / inspection result data is sent to the computer.
【0072】図26の実施形態で、複数の波長の異なる
励起光を同時に照射する例を説明したが、例えば、複数
の励起光とそれぞれの狙っている蛍光の波長帯が重複し
ているような場合には、重複するものについては光源に
近いところにある図示しないシャッタを用いたり、光源
そのもののON−OFFにより、時間をずらして蛍光検
出することによりこのような問題を回避する。In the embodiment shown in FIG. 26, an example in which a plurality of excitation lights having different wavelengths are simultaneously irradiated has been described. For example, it is assumed that the plurality of excitation lights overlap with the respective wavelength bands of the target fluorescence. In such a case, such a problem can be avoided by using a shutter (not shown) near the light source for the overlapped light, or detecting the fluorescence with a time lag by ON / OFF of the light source itself.
【0073】図23は、励起光源に複数のほぼ同一波長
の半導体レーザ111A2,111A2……を用いた実
施形態である。半導体レーザは容積が小さく比較的高出
力で、安価であるため、図に示すように多数の半導体レ
ーザを用いて、マルチスポット光源を作ることにより、
強いマルチスポット励起光をDNAチップに照射するこ
とが可能になり、高速検出が実現する。各半導体レーザ
から出射した光をレンズ112A1、112A2……に
よりファイバ120A1,120A2……の入射端に取
り込む。FIG. 23 shows an embodiment in which a plurality of semiconductor lasers 111A2, 111A2,... Since semiconductor lasers are small in volume, have relatively high output, and are inexpensive, by using a large number of semiconductor lasers as shown in the figure and making a multi-spot light source,
It becomes possible to irradiate the DNA chip with strong multi-spot excitation light, and high-speed detection is realized. The light emitted from each semiconductor laser is taken into the incident end of the fiber 120A1, 120A2,... By the lenses 112A1, 112A2,.
【0074】出射端から出射するレーザ光を図24に示
すようにマイクロレンズアレイを介してピンホール配列
111,112……に集光させ、この透過光をマルチス
ポット励起光として用いる。As shown in FIG. 24, the laser light emitted from the emission end is condensed on pinhole arrays 111, 112,... Via a microlens array, and the transmitted light is used as multi-spot excitation light.
【0075】励起光として半導体レーザを用いることが
できない場合には、半導体レーザ励起の高出力固体レー
ザや、高出力ガスレーザを用いる。このようなレーザ光
源では出射ビームを図25に示すような方法で分割して
用いると、ほぼ等しい強度で、ほぼ等しいビーム形状を
有するマルチスポット励起光を形成することが可能にな
る。When a semiconductor laser cannot be used as the excitation light, a high-output solid-state laser excited by a semiconductor laser or a high-output gas laser is used. In such a laser light source, when the output beam is divided and used by a method as shown in FIG. 25, it is possible to form multi-spot excitation light having substantially the same intensity and substantially the same beam shape.
【0076】即ち、レーザ光源111A′から出射した
ビームをマルチ分割ビームスプリッタ1110A′,1
120A′……で分割する。分割する数をkとすると、
分割の初段から2段、3段……k段目までのビームスプ
リットの反射率をr1,r2,…rj…rkとする。r
kは1であること、各ビームスプリット光は強度が等し
いので、1≦j≦kの任意のjに対し、 rj=1/(k−j+1) を満たすようにすればよい。即ち1110A′ではkが
4、即ち4分割であるので、r1は1/4、r2は1/
3、r3は1/2、r4は1となる。同様に1120
A′は3分割であるのでr1は1/3、r2は1/2、
r3は1となる。このように等しいビーム強度で、等し
いビーム形状のレーザ光がレンズアレイ112A1′に
入射し、ファイバの芯に入射する。That is, the beam emitted from the laser light source 111A 'is divided into multi-divided beam splitters 1110A', 1
120A '... If the number of divisions is k,
2-stage from the first stage of the division, three-stage ...... k r 1 the reflectivity of the beam split up stage, r 2, and ... r j ... r k. r
Since k is 1 and each beam split light has the same intensity, r j = 1 / (k−j + 1) may be satisfied for any j of 1 ≦ j ≦ k. That is, k in 1110A 'is 4, i.e. with four divisions, r 1 is 1/4, r 2 is 1 /
3, r 3 is 、, and r 4 is 1. Similarly 1120
Since A ′ is divided into three, r 1 is 3, r 2 is 、,
r 3 becomes 1. As described above, laser beams having the same beam intensity and the same beam shape enter the lens array 112A1 'and enter the core of the fiber.
【0077】図23の実施形態では、複数の半導体レー
ザをマルチビームスポット発生の光源として用いている
が、半導体レーザ以外のガスレーザや第2高調波による
レーザなどを複数用いてマルチスポット励起光を形成す
ることも、入手できるレーザ光のパワーが不足する場合
には必要になる。このような場合には図25に示す系を
複数用いて、この複数の系から取り出されるファイバ出
射端を1次元上或いは2次元上に配列することにより、
励起強度の大きいマルチスポット光を得ることができ
る。In the embodiment shown in FIG. 23, a plurality of semiconductor lasers are used as a light source for generating a multi-beam spot, but a multi-spot excitation light is formed by using a plurality of gas lasers other than the semiconductor lasers or lasers using the second harmonic. This is also necessary when the available laser light power is insufficient. In such a case, by using a plurality of systems shown in FIG. 25 and arranging the fiber emission ends extracted from the plurality of systems one-dimensionally or two-dimensionally,
Multi-spot light with high excitation intensity can be obtained.
【0078】上記の複数の励起光を用いる場合、励起波
長によっては半導体レーザ、ガスレーザ及び半導体励起
の第2高調波を用いる固体レーザ等各種タイプの異なる
レーザを用いる必要が生じる。このような場合に上記の
図23や図25の方法でマルチスポット励起光を形成す
ればよい。In the case of using a plurality of excitation lights, it is necessary to use various types of lasers such as a semiconductor laser, a gas laser, and a solid-state laser using the second harmonic of semiconductor excitation depending on the excitation wavelength. In such a case, the multi-spot excitation light may be formed by the method shown in FIGS.
【0079】図27は本発明の実施形態を示す図であ
り、励起マルチスポット光がDNAチップに混入した異
物からの蛍光や散乱光、或いは検出光学系の異物からの
散乱光の影響を除去し、精度の高い蛍光検出を実現する
ものである。11′は励起光源でファイバを介してピン
ホール開口アレイ14′を透過して励起マルチスポット
光を作る。マルチスポット光はレンズ15と対物レンズ
16によりDNAチップ上に結像する。対物レンズの入
射瞳の位置には空間フィルタ161がある。FIG. 27 is a view showing an embodiment of the present invention, in which excitation multi-spot light removes the influence of fluorescent light and scattered light from a foreign substance mixed into a DNA chip or scattered light from a foreign substance in a detection optical system. It realizes highly accurate fluorescence detection. Reference numeral 11 'denotes an excitation light source which transmits the pinhole aperture array 14' through a fiber to produce an excitation multi-spot light. The multi-spot light forms an image on the DNA chip by the lens 15 and the objective lens 16. There is a spatial filter 161 at the position of the entrance pupil of the objective lens.
【0080】励起マルチスポット光はこの瞳の中心から
ずれた163の位置を通過するように設定されている。
即ち各マルチスポット光は図29、図30に示すように
対物レンズの光軸から外れた部分を通り,図30に斜め
斜線で示すIiの光束となって、DNAチップ2に斜め
方向θiの入射角で照射する。この照射収束光の収束角
θIは、先にスポット径とNA′の関係を説明したよう
に、sin(NA′)=θI/2となる。The excitation multi-spot light is set to pass through a position 163 shifted from the center of the pupil.
That is, each multi-spot light passes through a portion deviated from the optical axis of the objective lens as shown in FIGS. 29 and 30, becomes a light flux of Ii indicated by oblique lines in FIG. 30, and is incident on the DNA chip 2 in the oblique direction θi. Irradiate at the corner. The convergence angle θI of the irradiation convergent light is sin (NA ′) = θI / 2, as described above for the relationship between the spot diameter and NA ′.
【0081】また、DNAチップで正反射した励起光
は、対物レンズを通過し、瞳161上で163とはレン
ズ光軸を対称の中心として対称な位置(図の162に相
当する位置)を通る。The excitation light specularly reflected by the DNA chip passes through the objective lens, and passes on the pupil 161 at a symmetrical position (corresponding to 162 in the figure) with the lens optical axis as the center of symmetry with 163. .
【0082】そこで、図28に示すように、ここに正反
射光を遮光する部材162を形成しておけば、励起正反
射光はこの162で遮光される。このように瞳の中心か
ら外れた位置を励起光の主光線の光路にし、この主光線
の入射角θiに対し、θi>θI/2の条件を満たすよ
うにすれば、励起光を瞳上で遮ることなく、励起正反射
光を瞳上で遮光することができる。本実施形態は図17
の実施形態で説明した励起光による雑音除去の効果を有
することは云うまでもない。Therefore, as shown in FIG. 28, if a member 162 for blocking the regular reflection light is formed here, the excitation regular reflection light is blocked by the member 162. By setting the position deviated from the center of the pupil in the optical path of the principal ray of the excitation light and satisfying the condition of θi> θI / 2 with respect to the incident angle θi of the principal ray, the excitation light is focused on the pupil. The excitation specular reflection light can be blocked on the pupil without blocking. This embodiment is shown in FIG.
Needless to say, it has the effect of removing noise by the excitation light described in the embodiment.
【0083】この効果に加え、図27の実施形態では、
DNAチップ上或いは中に混入している異物の影響を、
以下の様にして取る。即ち、DNAサンプル作成時に混
入した各種蛋白質等の異物があると、これに励起光が照
射すると、このような異物の寸法が数μmと小さいた
め、励起光が散乱する。また上記の有機物の様な異物の
場合には異物から強い蛍光が発せられ、検出すべきDN
Aに付加している蛍光体より強い蛍光となる。In addition to this effect, in the embodiment of FIG.
The effect of foreign substances on or in the DNA chip
Take as follows. That is, if there is a foreign substance such as various proteins mixed in at the time of preparing the DNA sample, the excitation light is scattered when irradiated with the excitation light because the size of such foreign substance is as small as several μm. In addition, in the case of a foreign substance such as the above-mentioned organic substance, strong fluorescence is emitted from the foreign substance, and the DN to be detected is
The fluorescence becomes stronger than that of the phosphor added to A.
【0084】図30に示すように、散乱励起光は点で塗
った対物レンズのNAで決まる領域L+Sを透過し、対
物レンズを通過後、空間フィルタの遮光部163以外の
部分を通り、蛍光検出系に漏れてくる。この漏れを波長
分離ビームスプリッタ61で励起光だけ取り出し、像検
出する。波長分離ビームスプリッタは蛍光を透過し、励
起光を反射する。波長分離ビームスプリッタの挿入位置
は図29では波長分離ビームスプリッタ30″の後ろの
光路にあるが、前に置いても良い。このようにすること
により、異物で散乱した励起光が蛍光の画像がマルチチ
ャンネル光電子倍増管等の検出器33′で撮られるのと
同様に、励起光散乱像S100が検出器62により画像
として検出される。As shown in FIG. 30, the scattered excitation light passes through the area L + S determined by the NA of the objective lens painted with dots, passes through the objective lens, passes through a portion other than the light shielding portion 163 of the spatial filter, and detects the fluorescence. Leaks into the system. Only the excitation light is extracted by the wavelength separation beam splitter 61 and the image is detected. The wavelength splitting beam splitter transmits the fluorescence and reflects the excitation light. The insertion position of the wavelength separation beam splitter is located in the optical path behind the wavelength separation beam splitter 30 ″ in FIG. 29, but may be placed in front of the wavelength splitter beam splitter. The excitation light scattering image S100 is detected as an image by the detector 62 in the same manner as the image is captured by the detector 33 'such as a multi-channel photomultiplier tube.
【0085】図31は、このように検出された蛍光像信
号DLと励起光像信号DSを、各絵素毎の信号レベルで
表している。即ち1,2,……、25は検出絵素番地を
表し、(1)、(2)、(3)、(4)、(5)は同じ
DNA配列が付いているセルの番地である。即ち例えば
1,2,3,4,5番地の絵素は(1)のセルに属す
る。実際にはセル内の絵素は2次元であり、例えば5×
5絵素あるが、図を用いた説明を分かりやすくするため
1次元にしている。異物がある絵素にかかっていればそ
の絵素の散乱励起光は閾値DSTを越える。FIG. 31 shows the fluorescence image signal D L and the excitation light image signal D S detected in this way at the signal level of each picture element. That is, 1, 2,..., 25 indicate the addresses of the detected picture elements, and (1), (2), (3), (4), (5) are the addresses of the cells having the same DNA sequence. That is, for example, picture elements at addresses 1, 2, 3, 4, and 5 belong to the cell (1). Actually, the picture elements in the cell are two-dimensional, for example, 5 ×
Although there are five picture elements, they are made one-dimensional for easy understanding using figures. Scattered excitation light of the pixel if it takes a picture element is foreign matter exceeds the threshold D ST.
【0086】図31で、励起光像信号DSは絵素番地
9,10,11及び16,17,18,19,20で閾
値DSTを越えている。従って、蛍光像検出信号DLの
該当する番地の情報は異物の影響を強く受けているた
め、この番地の情報を除去して各セルの蛍光の平均値を
求める。すなわち、セル番号(2)については絵素9,
10番地の情報は用いないで残りの6,7,8番地の情
報のみを用いて平均値を算出する。同様にセル(3)に
ついては13,14,15のみの情報を用いて平均値を
求める。セル(4)は総ての絵素が異物で散乱している
ためこのセルは無効とする。このようにして図31の下
のグラフに示すようにセル内の平均強度を求めることに
より、異物の影響を大幅に低減し、正確な蛍光検出がで
きるようになった。[0086] In FIG. 31, the excitation light image signal D S is beyond the threshold value D ST picture elements addresses 9, 10, 11 and 16,17,18,19,20. Therefore, information of the corresponding address in the fluorescent image detection signal D L since strongly influenced by foreign matter, to remove the information in the address obtaining an average value of fluorescence of each cell. That is, for cell number (2), picture element 9,
The average value is calculated using only the information at the remaining addresses 6, 7, and 8 without using the information at address 10. Similarly, for cell (3), an average value is obtained using information of only 13, 14, and 15. Cell (4) is invalid because all picture elements are scattered by foreign matter. By determining the average intensity in the cell as shown in the lower graph of FIG. 31 in this way, the influence of foreign matter is greatly reduced, and accurate fluorescence detection can be performed.
【0087】なお、図27から30を用いて説明した異
物の影響を除去する実施形態の光学系では、励起光が対
物レンズを通ってDNAチップを照明する光学系になっ
ているが、対物レンズを通らずに対物レンズとDNAチ
ップの間から斜めに照射し、散乱光を検出する構成でも
良い。この場合には、正反射光が対物レンズに入射しな
いため、空間フィルタ(161に相当する)が不要にな
る。In the optical system of the embodiment for removing the influence of foreign matter described with reference to FIGS. 27 to 30, the excitation light passes through the objective lens to illuminate the DNA chip. A configuration may be adopted in which light is emitted obliquely from between the objective lens and the DNA chip without passing through, and scattered light is detected. In this case, since the specularly reflected light does not enter the objective lens, a spatial filter (corresponding to 161) is not required.
【0088】図32は、本発明の実施形態を示す図であ
る。1は既に詳細な実施形態を説明したマルチスポット
励起光照射系であり、3は同じく詳細を説明したマルチ
スポット励起光で発生した蛍光を検出する蛍光検出系で
ある。DNAチップ2の上にハイブリダイゼイションさ
れているDNAに付いている蛍光に数μmの微小スポッ
ト励起光を対物レンズ16により照射するには、スポッ
トサイズが一定に保たれるよう対物レンズと蛍光面を焦
点深度内の一定の間隔に常時維持していなければならな
い。このため剛性上対物レンズ16と構造的に一体にな
った焦点検出系7を用いる。焦点検出系7は斜めビーム
スポット照射系71とスポット位置検出系72から構成
されている。斜めビームスポット照射系71はDNAチ
ップ上の蛍光面に斜めから微小スポットを照射する。FIG. 32 is a diagram showing an embodiment of the present invention. Reference numeral 1 denotes a multi-spot excitation light irradiation system which has already described the detailed embodiment, and reference numeral 3 denotes a fluorescence detection system which detects fluorescence generated by the multi-spot excitation light which has also been described in detail. In order to irradiate the fluorescence attached to the DNA hybridized on the DNA chip 2 with a small spot excitation light of several μm by the objective lens 16, the objective lens and the fluorescence are adjusted so that the spot size is kept constant. The plane must always be maintained at regular intervals within the depth of focus. For this reason, the focus detection system 7 which is structurally integrated with the objective lens 16 in terms of rigidity is used. The focus detection system 7 includes an oblique beam spot irradiation system 71 and a spot position detection system 72. The oblique beam spot irradiation system 71 irradiates the fluorescent screen on the DNA chip with a small spot obliquely.
【0089】図33はDNAチップの断面構造の1例で
ある。この実施形態図において蛍光面はΣ2面である。
即ちガラス等の平坦な基板23上に蛍光面Σ2があり、
この面とガラス基板21上の面Σ1の間には蛍光が付加
された被検査DNAを含んだ液体を流し、ハイブリダイ
ゼションさせるための間隙22がある。DNA検査の段
階ではこの間隙に液体を満たしておく。しかし場合によ
ってはこの間隙を空にしておくこともある。また蛍光面
をΣ1にし、基板23は不透明な材質や光を吸収する材
料にしておくこともある。FIG. 33 shows an example of a sectional structure of a DNA chip. In this embodiment, the fluorescent screen is # 2.
That is, there is a fluorescent screen # 2 on a flat substrate 23 such as glass,
Between this surface and the surface # 1 on the glass substrate 21, there is a gap 22 for flowing a liquid containing the DNA to be inspected to which fluorescence has been added and for hybridization. In the stage of DNA inspection, the gap is filled with liquid. However, in some cases, this gap may be left empty. The fluorescent screen may be set to # 1, and the substrate 23 may be made of an opaque material or a material that absorbs light.
【0090】斜めスポット照射系71から蛍光面で収束
するように斜めから照射される光ビームf0は上部基板
21の上面Σ3と下面Σ1、及び下部基板23の上面Σ
2と下面Σ4の4面で正反射する。斜め照射ビームf0
の主光線f0Mが正反射した光線l3,l1,l2,l
4は、 結像レンズ721によりポジションセンサ72
2の受光面に等しい面上のP3,P1,P2,及びP4
の位置にそれそれ像を結ぶ。蛍光面の位置は予め決まっ
ているので、各面Σ3、Σ1、Σ2とΣ4がある程度離
れていれば、検出したい面(この実施形態図ではΣ2)
のスポット像位置のみを受光し、それ以外のスポット像
は受光開口外となるように受光ポジションセンサ722
の寸法と、レンズ721の 結像倍率を決めておけば、
所望の検出面のみの高さ検出ができる。The light beam f 0 radiated obliquely from the oblique spot irradiation system 71 so as to converge on the fluorescent screen is applied to the upper surface {3 and the lower surface # 1 of the upper substrate 21 and the upper surface} of the lower substrate 23.
The light is specularly reflected on four surfaces 2 and the lower surface # 4. Oblique irradiation beam f 0
Rays l 3 principal ray f 0M of regularly reflected, l 1, l 2, l
4 is a position sensor 72 by an imaging lens 721.
P 3 , P 1 , P 2 , and P4 on a surface equal to the light receiving surface of No. 2
The image is tied to each position. Since the positions of the phosphor screens are predetermined, if the planes # 3, # 1, # 2, and # 4 are separated to some extent, the plane to be detected (# 2 in this embodiment).
Light receiving position sensor 722 so that only the spot image position is received and the other spot images are outside the light receiving aperture.
By determining the dimensions of and the imaging magnification of the lens 721,
The height of only the desired detection surface can be detected.
【0091】即ち、この実施形態では、Σ2面からの正
反射光のみをポジションセンサで捕らえ、ポジションセ
ンサ上のスポット位置即ちΣ2面の高さ位置を検出する
ことができる。制御回路4により、この検出情報に基づ
き対物レンズ、及び対物レンズと一体になった焦点検出
系7を、駆動装置73により上下に微動することにより
常時合焦点状態で蛍光検出することが可能になる。That is, in this embodiment, only the specularly reflected light from the # 2 surface is captured by the position sensor, and the spot position on the position sensor, that is, the height position of the # 2 surface can be detected. The control circuit 4 allows the objective lens and the focus detection system 7 integrated with the objective lens to be finely moved up and down by the driving device 73 based on the detection information, thereby enabling the fluorescence to be always detected in a focused state. .
【0092】図33の斜め入射フォーカス検出光の入射
角がブリュースター角に近いと、P偏向で入射させると
表面での反射が非常に小さくなり、検出困難になる。従
ってS偏向を用いる。S偏向にするとどのような入射角
でもP偏向に比べ表面での反射率が高くなり有利であ
る。If the angle of incidence of the obliquely incident focus detection light in FIG. 33 is close to the Brewster's angle, if it is incident with P deflection, the reflection on the surface will be very small, making detection difficult. Therefore, S deflection is used. S-deflection is advantageous because the reflectance at the surface is higher than P-deflection at any angle of incidence.
【0093】図34は本発明の実施形態図であり、対物
レンズ16を通して焦点検出するものである。ファイバ
74で図示しない近赤外半導体レーザ光源から導かれて
きたレーザ光はファイバ出射後ビームスプリッタ76を
通りレンズ77、波長分離ビームスプリッタ300″、
対物レンズ16を通り、DNAチップ2の蛍光面に斜め
から集光照射する。この照射光の入射角度θは対物レン
ズの開口NAに相当する(sinθ=NA≒0.8よりや
や小さい入射角)大きさである。正反射した光は再び対
物レンズを通り、ポジションセンサ73′上にチップ上
の集光点に対応した位置に結像する。このようにすれ
ば、図33の実施形態同様にして、チップの蛍光面のフ
ォーカス位置を検出できる。本実施形態のように焦点検
出に用いる光として、検出蛍光より波長の長い光を用い
れば蛍光体を励起することなく、即ち、検出雑音を発生
することなく、正確に焦点検出できる。FIG. 34 is an embodiment of the present invention, in which focus is detected through the objective lens 16. Laser light guided from a near-infrared semiconductor laser light source (not shown) by a fiber 74 passes through a beam splitter 76 after exiting the fiber, a lens 77, a wavelength separation beam splitter 300 ″,
The light passes through the objective lens 16 and is obliquely focused and irradiated on the fluorescent screen of the DNA chip 2. The incident angle θ of the irradiation light is a size corresponding to the aperture NA of the objective lens (sin θ = incidence angle slightly smaller than NA ≒ 0.8). The specularly reflected light passes through the objective lens again and forms an image on the position sensor 73 'at a position corresponding to the condensing point on the chip. In this way, the focus position of the phosphor screen of the chip can be detected as in the embodiment of FIG. If light having a longer wavelength than the detected fluorescence is used as the light used for focus detection as in the present embodiment, accurate focus detection can be performed without exciting the phosphor, that is, without generating detection noise.
【0094】なお図34の波長分離ビームスプリッタ3
00″は近赤外光を透過し、蛍光検出に用いる励起光及
び蛍光は反射する。1次元励起光照射光学系1で形成さ
れた1次元励起光スポットアレイがレンズ15、波長選
択ビームスプリッタ300″及び対物レンズ16を介し
てDNAチップ2の蛍光面に照射される。発生した蛍光
は蛍光検出光学系3により検出される。励起光スポット
アレイ照射位置のアレイ方向の移動は波長選択ビームス
プリッタを微回転することにより行う。The wavelength splitting beam splitter 3 shown in FIG.
Reference numeral 00 "transmits near-infrared light and reflects excitation light and fluorescence used for fluorescence detection. The one-dimensional excitation light spot array formed by the one-dimensional excitation light irradiation optical system 1 includes a lens 15 and a wavelength selection beam splitter 300. And a fluorescent screen of the DNA chip 2 through the objective lens 16. The generated fluorescence is detected by the fluorescence detection optical system 3. Movement of the irradiation position of the excitation light spot array in the array direction is performed by finely rotating the wavelength selection beam splitter.
【0095】以上、実施形態の各例を用いて説明したD
NAチップの蛍光検出をDNAチップの全セルに亘り行
う方法を、以下に図35から40を用いて説明する。The D described with reference to each example of the embodiment is described above.
A method for performing the fluorescence detection of the NA chip over all the cells of the DNA chip will be described below with reference to FIGS.
【0096】図35はDNAチップの全体の構造を表し
ている。204はDNAチップを実装している全体ケー
スである。DNAチップはこのケースにある窓200の
内側のガラス基板であり、ケース204に固定されてい
る。窓内側の領域202に蛍光物体を添付したDNA断
片がハイブリダイゼションされている。この202の領
域の外で窓200の内側に、位置決め用のアライメント
マーク201が描画されている。FIG. 35 shows the entire structure of the DNA chip. Reference numeral 204 denotes an entire case where a DNA chip is mounted. The DNA chip is a glass substrate inside the window 200 in this case, and is fixed to the case 204. A DNA fragment with a fluorescent object attached thereto is hybridized in the region 202 inside the window. An alignment mark 201 for positioning is drawn outside the region 202 and inside the window 200.
【0097】図2で説明したN×N(図5では5×5)
の絵素(太い線で示す)分が同一のDNA情報の断片が
植えられている(プロービングされている)セル20
と、このアライメントマーク201の相対的な位置が1
0分の数μmの精度で設計、製作されている。N × N described in FIG. 2 (5 × 5 in FIG. 5)
Cell 20 in which a fragment of DNA information having the same picture element (shown by a thick line) is planted (probed).
And the relative position of the alignment mark 201 is 1
It is designed and manufactured with an accuracy of a few μm.
【0098】DNAチップを検査装置に搭載し、既にそ
の実施形態を説明したDNA検査装置内に実装している
(図示せず)アライメント検出光学系で少なくとも2つ
のアライメントマーク201の位置をマーク位置検出2
次元CCD等でCCD上の位置として検出する。またこ
のマーク検出を行ったときのDNAチップの位置は、例
えば図32に示すように、DNAチップが搭載されてい
るチャックに設置されているx及びy方向の位置検出用
測長器81及び82で検出する。A DNA chip is mounted on an inspection apparatus, and the position of at least two alignment marks 201 is detected by an alignment detection optical system (not shown) already mounted in the DNA inspection apparatus described in the embodiment. 2
It is detected as a position on the CCD by a dimensional CCD or the like. In addition, as shown in FIG. 32, for example, as shown in FIG. 32, the position of the DNA chip at the time of performing the mark detection is the length measuring devices 81 and 82 for position detection in the x and y directions provided on the chuck on which the DNA chip is mounted. To detect.
【0099】上記のCCD検出光学系の光軸と、前述の
各種蛍光検出光学系における検出光軸との間隔は一定で
あるので、この間隔と、上記CCDのアライメントマー
ク検出位置と、測長器の検出位置から、DNAチップの
各セルを更に細かくセル内を分割した絵素を正しい位置
で検出することが可能になる。この際、2つ以上のアラ
イメントマークの位置検出でDNAチップが回転してい
ることが分かったなら、図示しない回転機構でこの回転
を補正する。なお、この回転補正後の正しい位置検出は
必要に応じて行う。またこの回転の補正を行わなくても
回転量が小さければこの回転量を上記方法で検出し、こ
の回転検出量に基づきxy座標を補正していっても良
い。また上記のマルチスポット光の方を光学系の微小回
転により補正して検出することも可能である。Since the distance between the optical axis of the above-mentioned CCD detection optical system and the detection optical axis of the above-mentioned various fluorescence detection optical systems is constant, this distance, the above-mentioned CCD alignment mark detection position, and the length measuring device It is possible to detect a picture element obtained by dividing each cell of the DNA chip more finely from the detection position at the correct position. At this time, if it is found that the DNA chip is rotating by detecting the positions of two or more alignment marks, the rotation is corrected by a rotating mechanism (not shown). The correct position detection after the rotation correction is performed as needed. Further, if the rotation amount is small without performing the rotation correction, the rotation amount may be detected by the above-described method, and the xy coordinates may be corrected based on the rotation detection amount. Further, it is also possible to detect the above-mentioned multi-spot light after correcting it by minute rotation of the optical system.
【0100】以上説明したように、DNAチップ上のセ
ル内の絵素を正確な位置決め精度で検出することが、ア
ライメントマーク検出と、DNAチャックの測長により
できるので、以下に示す方法でチップ内の全絵素を順次
光速に隈無く蛍光検出することができる。図35の2A
はM個のマルチスポットアレイ励起光を照射し、スポッ
トアレイ方向にN絵素分順次走査し、元の操作位置に戻
るという動作を繰り返すと共に、チャックをy方向に走
査することにより、チャックの1走査で検出される領域
を表す。即ち、図36に示すようDNAチップ上の絵素
2A101,2A102,……,2A10Mが先ず同時
に励起照明され、次に前述の方法により1絵素ピッチΔ
P分マルチスポットが移動し、これを順次続ける。As described above, it is possible to detect a picture element in a cell on a DNA chip with accurate positioning accuracy by detecting an alignment mark and measuring the length of a DNA chuck. Can be sequentially detected at the speed of light for all the picture elements. 2A of FIG.
Irradiates M multi-spot array excitation light, sequentially scans N picture elements in the spot array direction, returns to the original operation position, and scans the chuck in the y direction, thereby causing one of the chucks to scan. Represents the area detected by scanning. That is, as shown in FIG. 36, the picture elements 2A101, 2A102,..., 2A10M on the DNA chip are first excited and illuminated simultaneously, and then one picture element pitch Δ is obtained by the above-described method.
The multi-spot moves by P and continues this one by one.
【0101】このようにしてN(k)絵素分移動すれ
ば、合計MN(k)絵素分、即ちNMΔPの幅に亘り、
1次元アレイ状に検出される。N(k)絵素分の走査が
終われば、マルチスポットアレイを初めの位置に戻す。
この間DNAチップは図39のystの時間t0からt
1の間のようにy方向に1絵素分移動しているので、上
記の動作をy方向の絵素数分時間t0からt1の間繰り
返せば、領域2Aの全絵素に亘る蛍光検出が終了する。By moving by N (k) picture elements in this way, over the total MN (k) picture elements, that is, over the width of NMΔP,
They are detected in a one-dimensional array. When scanning of N (k) pixels is completed, the multi-spot array is returned to the initial position.
During this time, the DNA chip is switched from time t 0 to t
Since moving one pixel worth in the y direction such as between 1, it is repeated between the above operation from the pixel number of the time t 0 in the y direction t 1, fluorescence detection over the entire pixel region 2A Ends.
【0102】上記の動作を図1の実施形態のDNA検査
装置で行う場合、AO偏光器によるマルチスポット励起
光の駆動信号、或いはスポットの移動位置は図38のS
pxに示すように変化する。更に詳細に見れば図8のS
B12のようにステップ移動している。また波長選択ビ
ームスプリッタの偏向信号も図38のSpx同様に変化
させる。時間t0からt1までこのような変化を繰り返
せば、領域2Aの全域を検出できる。When the above operation is performed by the DNA testing apparatus of the embodiment shown in FIG. 1, the driving signal of the multi-spot excitation light by the AO polarizer or the moving position of the spot is determined by S in FIG.
px . More specifically, S in FIG.
It is stepping like B12 . Also, the deflection signal of the wavelength selection beam splitter is changed similarly to Spx in FIG. By repeating such a variation from the time t 0 to t 1, can detect the entire region 2A.
【0103】領域2Aの下の端まで検出されると(時間
t1)図40のxstに示すようにDNAチップのチャ
ックをx方向にNMΔPだけステップ移動する。ステッ
プ移動後、図39の時間t1後のystに示すようにチ
ャックをyの逆方向に走査する。これと同時に図38の
時間t1後のSpxようにAO偏光器12及び波長選択
偏向ビームスプリッタ30の偏向信号を領域2A検出時
(時間t0〜t1)とは逆方向に走査する。このように
すれば図37に示すように領域2Bを領域2Aの検出に
引き続き継続的に検出できる。以上の動作をDNAチッ
プのy方向について−方向と+方向に交互に繰り返せば
DNAチップの2Aから2Jまで全チップを高速に検出
することができる。[0103] Once detected until the bottom edge of the region 2A (time t 1) only NMΔP the chuck of the DNA chip in the x direction as shown in x st in FIG. 40 to step movement. After the step movement, scanning the chuck in the direction opposite to the y as shown in the y st after time t 1 in FIG. 39. The same time at regions 2A detects the deflection signal AO polarizer 12 and the wavelength-selective polarization beam splitter 30 into S px so the time t after 1 of FIG. 38 (time t 0 ~t 1) is scanned in the opposite direction. In this way, as shown in FIG. 37, the area 2B can be detected continuously following the detection of the area 2A. By repeating the above operation alternately in the negative and positive directions in the y direction of the DNA chip, all the chips from 2A to 2J of the DNA chip can be detected at high speed.
【0104】本実施形態でDNAチップを総て検出する
のに要する時間を説明する。チップ内のセル数L、各セ
ルをN×N分割することにより、異物等の影響を回避す
ることにする。このようにするとチップ内の全検出絵素
数はLN2になる。マルチスポット励起光の同時照射ス
ポット数をMとするとし、同時にマルチスポットで検出
する時間をΔtとすると、スポットの移動や、チャック
のx方向の移動による時間が蛍光検出する時間に比べ短
いとして無視すると、全蛍光検出時間Tは次式で与えら
れる。The time required to detect all the DNA chips in this embodiment will be described. By dividing the number of cells in the chip by L and each cell by N × N, the influence of foreign matter or the like is avoided. In this way all the detecting number of picture elements in the chip becomes LN 2. Assuming that the number of simultaneously irradiated spots of the multi-spot excitation light is M and that the time for simultaneous multi-spot detection is Δt, the time taken by the movement of the spot and the movement of the chuck in the x direction is ignored as being shorter than the time required for fluorescence detection. Then, the total fluorescence detection time T is given by the following equation.
【0105】 T=LN2Δt/M =LN2/(M/Δt) マルチスポットのスキャン数kに対し、波長分離ビーム
スプリッタ30の応答時間tpはkΔt以上である必要
がある。また光源のパワーはβM/Δt以上必要であ
る。また励起マルチスポット光の間隔は5以上がSNの
上で望ましい。[0105] For T = LN 2 Δt / M = LN 2 / (M / Δt) scan number k of multi-spot, the response time t p of the wavelength separation beam splitter 30 is required to be more k.DELTA.t. Further, the power of the light source needs to be βM / Δt or more. Further, it is desirable that the interval between the excitation multi-spot lights is 5 or more in view of SN.
【0106】蛍光検出に用いる光電子倍増管の量子効率
は、蛍光波長が長い670nmでは5〜10%と低くな
る。また、励起に用いるレーザ光の出力の限界もある。
このような条件を考慮し、できるだけ高速に検出するに
は、例えばk(=N)=10、M=50、Δt=50μ
sとなり、セル数L=1000×1000、セル内分割
絵素数N=5として、T=25sとなる。即ちLN2/
(6×105)秒以下の条件を満たす。ちなみに上記の
LとNの値をこの条件に入れれば42秒になり、蛍光検
出以外のサンプルチップの装着脱、検査条件の入力、結
果の出力を含めて1分以内に検出するという条件を満足
する。The quantum efficiency of the photomultiplier used for fluorescence detection is as low as 5 to 10% at 670 nm where the fluorescence wavelength is long. There is also a limit on the output of laser light used for excitation.
Considering such conditions, in order to detect as quickly as possible, for example, k (= N) = 10, M = 50, Δt = 50 μ
Assuming that the number of cells L = 1000 × 1000 and the number of divided picture elements in the cell N = 5, T = 25s. That is, LN 2 /
The condition of (6 × 10 5 ) seconds or less is satisfied. By the way, if the above L and N values are included in this condition, it will be 42 seconds. I do.
【0107】1分で検出可能になれば、多くの検体を検
査する場合効果を発揮する。例えば従来5分かかってい
た検査が1分で済むため、前処理に少々時間がかかって
も、検体数が百近くになると、前処理が通常多数の検体
に対し平行してできるようにするため、5,6時間の時
間短縮が図れる。If the detection can be performed in one minute, it is effective when testing many specimens. For example, a test that took 5 minutes in the past can be done in 1 minute, so even if the pre-processing takes a little time, if the number of samples approaches 100, pre-processing can be performed on many samples in parallel. , 5 or 6 hours.
【0108】本発明によりこのような高速・高精度の検
出が可能になるのはマルチスポットを同時に励起光に用
いているためであり、しかも各スポットの励起光による
蛍光検出に際し他の励起スポット光の影響を極力受けな
いようにスポット間隔を開けて検出しているからであ
る。The present invention enables such high-speed and high-precision detection because multiple spots are simultaneously used as excitation light. In addition, when fluorescence is detected by excitation light of each spot, another excitation spot light is used. This is because the detection is performed with an interval between the spots so as not to be affected by as much as possible.
【0109】[0109]
【発明の効果】以上説明した本発明により、DNAチッ
プ上の多種、多数のDNAプローブにハイブリダイゼー
ションされた被検査対象DNAを高速にかつ正確に蛍光
検出することが可能になった。この結果、感染症の診
断、遺伝子検査等を多数の検体に対し、高速・高精度に
行うことが可能になった。According to the present invention described above, it has become possible to rapidly and accurately detect the fluorescence of the DNA to be inspected, which has been hybridized to various and many DNA probes on the DNA chip. As a result, it has become possible to perform infectious disease diagnosis, genetic testing, and the like on a large number of samples at high speed and with high accuracy.
【図1】本発明の実施形態を表す図。FIG. 1 is a diagram illustrating an embodiment of the present invention.
【図2】本発明の実施形態図で、マルチスポット照射を
表す。FIG. 2 is an embodiment of the present invention, showing multi-spot irradiation.
【図3】本発明の実施形態図で、マルチスポット照射の
移動を表す。FIG. 3 is an embodiment of the present invention, showing the movement of multi-spot irradiation.
【図4】本発明の実施形態図で、マイクロレンズアレイ
によるマルチスポット発生を表す。FIG. 4 is an embodiment of the present invention, showing generation of a multi-spot by a microlens array.
【図5】本発明の実施形態図で、図1の実施形態を説明
する図。FIG. 5 is an embodiment diagram of the present invention, illustrating the embodiment of FIG. 1;
【図6】波長選択ビームスプリッタ固定時のスポット蛍
光像の動きを説明する図。FIG. 6 is a view for explaining the movement of a spot fluorescent image when the wavelength selection beam splitter is fixed.
【図7】波長選択ビームスプリッタ偏向時のスポット蛍
光像の動きを説明する図FIG. 7 is a view for explaining the movement of a spot fluorescent image when a wavelength selective beam splitter is deflected.
【図8】本発明の実施形態し、図1の各部品の動作、検
出信号等を表す図。FIG. 8 is a diagram illustrating an operation of each component in FIG. 1, a detection signal, and the like according to the embodiment of the present invention.
【図9】図1の実施形態で、蛍光像検出面の像の動きを
表す図。FIG. 9 is a diagram illustrating a motion of an image on a fluorescence image detection surface in the embodiment of FIG. 1;
【図10】図1の実施形態で蛍光検出面の受光開口を表
す図。FIG. 10 is a diagram showing a light receiving aperture of a fluorescence detection surface in the embodiment of FIG.
【図11】本発明の実施形態図で、マルチスポットをホ
ログラムで形成する図。FIG. 11 is a diagram showing an embodiment of the present invention, in which a multi-spot is formed by a hologram.
【図12】上記のホログラムを作成する方法を示す図。FIG. 12 is a diagram showing a method of creating the hologram.
【図13】本発明の実施形態を示す図。FIG. 13 is a diagram showing an embodiment of the present invention.
【図14】図13の実施形態で用いる2次元マルチスポ
ット発生用マイクロレンズアレ。FIG. 14 is a microlens array for generating a two-dimensional multi-spot used in the embodiment of FIG. 13;
【図15】本発明の実施形態で波長分離ビームスプリッ
タの特性を示す図。FIG. 15 is a diagram illustrating characteristics of a wavelength separation beam splitter according to the embodiment of the present invention.
【図16】本発明の実施形態で干渉フィルタの特性を示
す図。FIG. 16 is a diagram showing characteristics of an interference filter according to the embodiment of the present invention.
【図17】本発明の実施形態図で、励起光を空間フィル
タで遮光する図。FIG. 17 is a diagram of an embodiment of the present invention, in which excitation light is shielded by a spatial filter.
【図18】上記空間フィルタの図。FIG. 18 is a diagram of the spatial filter.
【図19】本発明の実施形態図で、偏向を利用する励起
光遮光法を示す図。FIG. 19 is a diagram showing an excitation light shielding method using deflection in the embodiment of the present invention.
【図20】本発明の実施形態図で、1次元スポットアレ
イを2次元マルチチャンネルフォトマルで検出する図。FIG. 20 is a diagram showing an embodiment of the present invention, in which a one-dimensional spot array is detected by a two-dimensional multi-channel photomultiplier.
【図21】上記図20の実施形態でファイバの入出射端
とスポット像取り込みを示す図。FIG. 21 is a diagram showing the input / output end of the fiber and the capture of a spot image in the embodiment of FIG. 20;
【図22】本発明の実施形態図で、励起光を複数の波長
にして検出する図。FIG. 22 is a diagram of the embodiment of the present invention, in which excitation light is detected at a plurality of wavelengths.
【図23】本発明の実施形態図で、複数の半導体レーザ
を励起光に用いる図。FIG. 23 is a diagram of an embodiment of the present invention, in which a plurality of semiconductor lasers are used for excitation light.
【図24】本発明の実施形態図で、ファイバの出射端か
らマルチスポット光を得る図。FIG. 24 is a view of the embodiment of the present invention, in which multi-spot light is obtained from the emission end of the fiber.
【図25】本発明の実施形態図で、1本のレーザビーム
からマルチスポットを得る図。FIG. 25 is a diagram showing an embodiment of the present invention, in which a multi-spot is obtained from one laser beam.
【図26】本発明の実施形態図で、励起光を複数の波長
にして同時に検出する図。FIG. 26 is a diagram of an embodiment of the present invention, in which excitation light is set to a plurality of wavelengths and detected simultaneously.
【図27】本発明の実施形態図で、マルチスポット光を
斜め照射し、正反射励起光を瞳上で遮光する図。FIG. 27 is a diagram of the embodiment of the present invention, in which multi-spot light is irradiated obliquely and specular reflection excitation light is blocked on a pupil.
【図28】上記図27の瞳上の遮光部を示す図。FIG. 28 is a view showing a light-shielding portion on the pupil in FIG. 27;
【図29】本発明の実施形態図で、励起散乱光を検出し
異物位置を求め、蛍光検出結果を補正する方法を示す
図。FIG. 29 is a diagram illustrating a method of detecting excitation scattered light to obtain a foreign substance position and correcting a fluorescence detection result in the embodiment of the present invention.
【図30】上記図29の対物レンズとDNAチップの間
の励起正反射光と散乱励起光を示す図。FIG. 30 is a diagram showing excitation specular reflection light and scattering excitation light between the objective lens and the DNA chip of FIG. 29.
【図31】図29の異物散乱光の検出信号による補正の
方法を示す図。FIG. 31 is a diagram showing a method of correction based on a detection signal of foreign matter scattered light in FIG. 29;
【図32】本発明の実施形態図で、フォーカス検出と、
制御を示す図。FIG. 32 is an embodiment of the present invention, in which focus detection and
The figure which shows control.
【図33】図32のフォーカス検出で、DNAチップの
反射呼応を示す図。FIG. 33 is a diagram showing the reflection response of the DNA chip in the focus detection of FIG. 32;
【図34】本発明の実施形態図で、対物レンズを通して
フォーカス検出する図。FIG. 34 is a diagram illustrating focus detection through an objective lens in the embodiment of the present invention.
【図35】本発明の実施形態で、DNAチップの全検査
対象域を検出する方法を示す図。FIG. 35 is a diagram showing a method for detecting the entire inspection target area of the DNA chip in the embodiment of the present invention.
【図36】図35の実施形態の拡大説明図FIG. 36 is an enlarged explanatory view of the embodiment of FIG. 35;
【図37】図35の実施形態の拡大説明図FIG. 37 is an enlarged explanatory view of the embodiment of FIG. 35;
【図38】図35の実施形態でマルチスポットの動きを
示す図。FIG. 38 is a view showing a movement of a multi spot in the embodiment of FIG. 35;
【図39】図35の実施形態でDNAチップチャックの
x方向の動きを示す図。39 is a view showing the movement of the DNA chip chuck in the x direction in the embodiment of FIG. 35.
【図40】図35の実施形態でDNAチップチャックの
y方向の動きを示す図。40 is a view showing the movement of the DNA chip chuck in the y direction in the embodiment of FIG. 35.
1・・・・励起光照射光学系、10・・・・マルチスポット形成
光学系、11・・・・光源系、12・・・・AO偏向器、14・・
・・マイクロレンズアレイ、16・・・・対物レンズ、14′
・・・・マルチスポット発生ホログラム、2・・・・DNAチッ
プ、20・・・・セル、201,202,212・・・・蛍光検
出絵素、30・・・・波長選択ビームスプリッタ偏向器、3
00・・・・ミラー偏向器、32・・・・光ファイバ、33・・・・
光電子倍増管、4、4′・・・・制御回路、41′・・・・入力
端末、51,52,53,54・・・・波長選択ビームスプ
リッタ、7・・・・フォーカス検出系、73・・・・は対物レン
ズとフォーカス系の微動機構、80・・・・DNAチップチ
ャック、81,82・・・・DNAチップチャック位置測長
器、83・・・・DNAチップチャック駆動機構である。1 ... excitation light irradiation optical system, 10 ... multi-spot forming optical system, 11 ... light source system, 12 ... AO deflector, 14 ...
..Microlens array, 16... Objective lens, 14 '
···· Multi-spot generating hologram, 2 ··· DNA chip, 20 ··· cell, 201, 202, 212 ··· fluorescence detection picture element, 30 ···· wavelength selective beam splitter deflector, 3
00: mirror deflector, 32: optical fiber, 33:
Photomultiplier tube, 4, 4 '... control circuit, 41' ... input terminal, 51, 52, 53, 54 ... wavelength selection beam splitter, 7 ... focus detection system, 73 .. Indicate a fine movement mechanism of an objective lens and a focus system, 80... A DNA chip chuck, 81 and 82... .
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) G01N 33/50 G01N 33/53 M 33/53 33/566 33/566 C12N 15/00 A (72)発明者 坂田 智昭 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 保田 健二 茨城県ひたちなか市市毛882番地 株式会 社日立製作所計測器グループ内 (72)発明者 高橋 智 茨城県ひたちなか市市毛882番地 株式会 社日立製作所計測器グループ内 Fターム(参考) 2G043 AA03 BA16 CA03 DA02 EA01 FA01 GA02 GA04 GB01 GB19 GB21 HA01 HA02 HA05 HA09 JA03 JA04 KA02 KA05 KA08 KA09 LA02 LA03 MA01 2G045 AA13 AA35 CA25 DA13 FA12 FA15 FA29 FB02 FB07 FB12 GC15 JA07 JA08 4B024 AA11 AA19 CA04 HA14 4B029 AA07 AA23 FA10 4B063 QA01 QQ08 QQ42 QR32 QR66 QS34 QX02 Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat II (Reference) G01N 33/50 G01N 33/53 M 33/53 33/566 33/566 C12N 15/00 A (72) Inventor Tomoaki Sakata 292 Yoshida-cho, Totsuka-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Prefecture Inside Hitachi, Ltd.Production Technology Laboratory (72) Inventor Kenji Yasuda 882-Momo, Hitachinaka-shi, Ibaraki Prefecture Hitachi, Ltd.Measurement Equipment Group (72) Inventor Satoshi Takahashi 882 Ma, Hitachinaka-shi, Ibaraki F-term within the measuring instruments group of Hitachi, Ltd. CA25 DA13 FA12 FA15 FA29 FB02 FB07 FB12 GC15 JA07 JA08 4B024 AA11 AA19 CA04 HA14 4B029 AA07 AA23 FA10 4B063 QA01 QQ08 QQ42 QR32 QR66 QS34 QX02
Claims (46)
め決められた一定の規則に基づき配列した微小エリアで
ある複数Lのセルから構成されているDNAチップに、
検査対象であるDNAから前処理により作成したDNA
断片に所望の蛍光体を付加したターゲットをハイブリダ
イゼーションした被検査DNAチップに所望の波長から
なる励起光を照射し、得られる蛍光を分析するDNA検
査方法おいて、上記各セルの寸法D以下のスポット径d
である複数Mのマルチスポット励起光を互いに異なる位
置に蛍光減衰時間以上の時間Δtに亘り対物レンズを用
いて同時に照射し、得られる蛍光を蛍光検出光路に導
き、上記DNAチップへのマルチスポット励起光により
発生した各マルチスポット光からの蛍光を分離して検出
し、蛍光の位置と強度から被検査DNAチップの検査を
行うDNA検査方法。1. A DNA chip comprising a plurality of L cells, each of which is a micro area, in which a plurality of types of desired DNA fragments are arranged according to a predetermined rule,
DNA prepared by pretreatment from the DNA to be tested
In a DNA testing method for irradiating excitation light having a desired wavelength to a DNA chip to be tested obtained by hybridizing a target obtained by adding a desired fluorescent substance to a fragment and analyzing the obtained fluorescence, Spot diameter d
And simultaneously irradiating the plurality of M multi-spot excitation lights to different positions using an objective lens for a time Δt longer than the fluorescence decay time, guiding the obtained fluorescence to a fluorescence detection optical path, and multi-spot excitation to the DNA chip. A DNA inspection method in which fluorescence from each multi-spot light generated by light is separated and detected, and a DNA chip to be inspected is inspected based on the position and intensity of the fluorescence.
2次元状に一定ピッチで直線上に配列していることを特
徴とする請求項1記載のDNA検査方法。2. The DNA inspection method according to claim 1, wherein a plurality of M excitation light spots are linearly arranged one-dimensionally or two-dimensionally at a constant pitch.
対しほぼ1/Nであることを特徴とする請求項1記載の
DNA検査方法。3. The DNA inspection method according to claim 1, wherein the spot diameter is approximately 1 / N with respect to an integer N of the cell size.
割し、1セル内にあるN2個のデータの内有意なデータ
のみを選択し、処理することにより正確な検査を行うこ
とを特徴とする請求項3記載のDNA検査方法。4. An accurate inspection by dividing the cell into a plurality of parts by setting N to 2 or more and selecting and processing only significant data among N 2 data in one cell. The method for testing DNA according to claim 3, wherein:
N2に対し、LN2/(6×105)秒以内の時間で蛍光
検出することを特徴とする請求項1乃至4の何れかに記
載のDNA検査方法。5. The number L of all samples to be inspected on a DNA chip
The method according to any one of claims 1 to 4, wherein fluorescence is detected within a time period of LN 2 / (6 × 10 5 ) seconds with respect to N 2 .
トはスポット径d、整数kに対しほぼkdの間隔を持っ
て直線上に配列し、当該スポットアレイを上記Δt時間
照射後、ほぼdだけアレイ方向に移動し、Δt時間照射
することを順次k回繰り返すことにより、アレイ方向に
kM個のスポット位置に亘り検査を行い、かつDNAチ
ップと対物レンズを少なくともアレイと直角方向に、相
対的に移動することによりDNAチップの所望の2次元
領域を検査することを特徴とする請求項1記載のDNA
検査方法。6. A plurality of M irradiation spots on the DNA chip are linearly arranged at intervals of about kd with respect to a spot diameter d and an integer k. By moving in the array direction and irradiating Δt time successively k times, inspection is performed over KM spot positions in the array direction, and the DNA chip and the objective lens are relatively moved at least in the direction perpendicular to the array. 2. The DNA according to claim 1, wherein a desired two-dimensional area of the DNA chip is inspected by moving the DNA chip.
Inspection methods.
る請求項6記載のDNA検査方法。7. The DNA testing method according to claim 6, wherein the integer k is 2 or more.
る請求項6記載のDNA検査方法。8. The DNA testing method according to claim 6, wherein the integer k is 5 or more.
同期させ、励起光により生じた蛍光が上記受光開口上の
ほぼ同一箇所に来るように蛍光検出光路内に蛍光検出偏
向手段を具備した請求項1、6、7、8の何れかに記載
のDNA検査方法。9. A fluorescent light detecting and deflecting means in a fluorescent light detecting optical path so as to synchronize with the movement of the spot array in the array direction so that fluorescent light generated by the excitation light comes to substantially the same position on the light receiving aperture. The DNA testing method according to any one of 1, 6, 7, and 8.
せ、蛍光を反射させる波長選択ビームスプリッタで構成
されていることを特徴とする請求項9記載のDNA検査
方法。10. The DNA inspection method according to claim 9, wherein said fluorescence detecting and deflecting means is constituted by a wavelength selective beam splitter which transmits excitation light and reflects fluorescence.
に蛍光のみを透過し励起光を遮光するフィルタを有する
ことを特徴とする請求項1項記載のDNA検査方法。11. The DNA testing method according to claim 1, further comprising a filter that transmits only fluorescence and blocks excitation light in a fluorescence detection optical path separated from the excitation light path.
対物レンズの瞳上でほぼ同一位置Aを通過し、DNAチ
ップで正反射した当該励起光が対物レンズの瞳上の位置
B’に達するように構成し、当該対物レンズの瞳上にあ
るB′の位置、もしくは蛍光検出光路内にあり上記対物
レンズの瞳と共役な面上のB’の像位置、に反射励起光
を遮光する手段を具備したことを特徴とする請求項1記
載のDNA検査方法。12. The M multi-excitation spot lights pass through substantially the same position A on the pupil of the objective lens, and the excitation light specularly reflected by the DNA chip reaches a position B 'on the pupil of the objective lens. Means for blocking the reflected excitation light at the position of B 'on the pupil of the objective lens or on the image position of B' on the plane conjugate with the pupil of the objective lens in the fluorescence detection optical path. The DNA testing method according to claim 1, further comprising:
対物レンズの瞳上でほぼ同一位置Aを通過し、DNAチ
ップで正反射した当該励起光が対物レンズの瞳上の上記
Aとは異なる位置Bを通過するように構成し、当該対物
レンズの瞳もしくは、蛍光検出光路内で対物レンズの瞳
と共役な位置にBを中心に所望の径の反射励起光を遮光
する部材を配置することを特徴とする請求項1記載のD
NA検査方法。13. The M multi-excitation spot lights pass through substantially the same position A on the pupil of the objective lens, and the excitation light specularly reflected by the DNA chip is different from the A on the pupil of the objective lens. It is configured to pass through the position B, and a pupil of the objective lens or a member that blocks the reflected excitation light of a desired diameter around B at a position conjugate with the pupil of the objective lens in the fluorescence detection optical path is disposed. D according to claim 1, characterized in that
NA inspection method.
DNAチップ内の異物から散乱した励起光を上記遮光手
段又は遮光部材外から取り出し、更に上記蛍光検出光路
から分岐し、DNAチップの照射スポットと共役な位置
で撮像し、当該撮像情報を用いて、上記マルチスポット
励起光により発生した各マルチスポット光からの蛍光を
分離して検出した情報を補正することを特徴とする請求
項12または13の何れかに記載のDNA検査方法。14. The reflection excitation light is specular reflection excitation light,
The excitation light scattered from the foreign matter in the DNA chip is taken out of the light shielding means or the light shielding member, further branched from the fluorescence detection optical path, imaged at a position conjugate with the irradiation spot of the DNA chip, and using the imaging information, 14. The DNA inspection method according to claim 12, wherein information detected by separating fluorescence from each multi-spot light generated by the multi-spot excitation light is corrected.
のレーザ光源により形成したことを特徴とする請求項1
記載のDNA検査方法。15. The apparatus according to claim 1, wherein said M multi-excitation spot lights are formed by a plurality of laser light sources.
The DNA testing method according to the above.
光ファイバに導入し、M個の所望のピッチで整列した当
該光ファイバの出射端から出射することによりM個のマ
ルチ励起スポット光を得ることを特徴とする請求項15
記載のDNA検査方法。16. Light emitted from the plurality of laser light sources is introduced into an optical fiber, and emitted from the emission ends of the optical fibers aligned at M desired pitches, thereby obtaining M multi-excitation spot lights. 16. The method according to claim 15, wherein
The DNA testing method according to the above.
た各マルチスポット光からの蛍光を分離して検出する手
段は超高感度のNx×Ny画素数からなる2次元撮像装
置であり、スポット径dの励起光をnx、nyを整数と
し、x方向にnxd、y方向にnydのピッチでNx×
Nyスポット同時に照射し、得られるNx×Ny画素数
からなる蛍光スポット像を該超高感度2次元撮像装置で
検出し、DNA検出装置とDNAチップをピッチdで相
対的にxy方向にnx×nyステップ移動することによ
りDNAチップの所望の領域を検出することを特徴とす
る請求項1記載のDNA検出方法。17. A means for separating and detecting fluorescence from each multi-spot light generated by the multi-spot excitation light is a two-dimensional imaging apparatus having an ultra-sensitive N x × N y pixel number, and having a spot diameter of the excitation light d and n x, a n y an integer, n x × x direction n x d, y directions with a pitch of n y d
The N y spots are simultaneously illuminated, and the resulting fluorescent spot image composed of N x × N y pixels is detected by the ultra-high sensitivity two-dimensional imaging device, and the DNA detection device and the DNA chip are relatively moved at a pitch d in the xy directions. 2. The DNA detection method according to claim 1, wherein a desired area of the DNA chip is detected by moving by nx * ny steps.
り、複数の蛍光体を付加した異なるターゲットを分離し
て検出することを特徴とする請求項1記載のDNA検査
方法。18. The DNA testing method according to claim 1, wherein said excitation light has a plurality of different wavelengths, and separates and detects different targets to which a plurality of fluorescent substances are added.
照射し、複数の蛍光体を付加した異なるターゲットを分
離して同時に検出することを特徴とする請求項18記載
のDNA検査方法。19. The DNA testing method according to claim 18, wherein the excitation light having a plurality of wavelengths is simultaneously irradiated, and different targets to which a plurality of fluorescent substances are added are separated and detected at the same time.
を付加したターゲットをハイブリダイゼーションした検
査面上に、上記励起スポット光の近傍に第2の光を斜め
入射させ、該検査面で反射した光の位置を検出すること
により、焦点検出し、この情報に基づき検査面と上記対
物レンズの相対距離を制御することにより焦点合わせを
行うことを特徴とする請求項1記載のDNA検査方法。20. A second light is obliquely incident on the inspection surface of the DNA chip to be inspected on which a target to which a desired fluorescent substance is added is hybridized, in the vicinity of the excitation spot light, and is reflected by the inspection surface. 2. The DNA inspection method according to claim 1, wherein a focus is detected by detecting a position of light, and focusing is performed by controlling a relative distance between the inspection surface and the objective lens based on the information.
照射する励起光照射系と、DNAチップ上の蛍光体から
発生した蛍光を検出する蛍光検出系からなるDNA検査
装置おいて、DNAチップ上に多数Lあるセルの寸法D
以下のスポット径dを有しする複数Mの励起光をDNA
チップ上に同時に発生せしめるマルチスポット励起光発
生光学系と、当該マルチスポット光をDNAチップ上の
DNA断片に付加した蛍光物体に同時に上記寸法dで照
射せしめる対物レンズと、得られる蛍光を当該対物レン
ズを介して蛍光検出光路に導くビームスプリッタと、上
記マルチスポット励起光により発生した各マルチスポッ
ト光からの蛍光を分離して検出する蛍光検出手段と、D
NAチップの所望の領域に亘りマルチスポット光を照射
し蛍光検出するように上記マルチスポット光の位置とD
NAチップの位置を相対的に変化せしめ駆動手段と、当
該駆動手段並びに蛍光検出手段により検出されたDNA
チップの所望領域の蛍光強度と蛍光位置から被検査DN
AチップのDNA情報を求め、検査する制御系からなる
ことを特徴とするDNA検査装置。21. A DNA inspection apparatus comprising an excitation light irradiation system for irradiating a DNA chip with excitation light from an excitation light source and a fluorescence detection system for detecting fluorescence generated from a fluorescent substance on the DNA chip. Dimension D of many cells L
Multiple M excitation lights having the following spot diameter d
An optical system for generating a multi-spot excitation light simultaneously generated on a chip, an objective lens for simultaneously irradiating the multi-spot light to a fluorescent object added to a DNA fragment on a DNA chip with the dimension d, and an objective lens for obtaining the obtained fluorescence. A beam splitter that guides the fluorescence from the multi-spot light generated by the multi-spot excitation light to a fluorescence detection optical path through the multi-spot excitation light;
The position of the multi-spot light and the position of D are set so that the multi-spot light is irradiated over a desired area of the NA chip to detect fluorescence.
Driving means for relatively changing the position of the NA chip, DNA detected by the driving means and the fluorescence detecting means
The DN to be inspected is determined based on the fluorescence intensity and the fluorescence position of the desired area of the chip.
A DNA testing apparatus comprising a control system for obtaining and testing DNA information of an A chip.
1次元もしくは2次元状に一定ピッチで直線上に配列し
ている複数Mの励起光スポットを同時に発生することを
特徴とする請求項21記載のDNA検査装置。22. The multi-spot excitation light generating optical system according to claim 21, wherein a plurality of M excitation light spots arranged one-dimensionally or two-dimensionally on a straight line at a constant pitch are simultaneously generated. DNA testing equipment.
Nに対しほぼ1/Nであることを特徴とする請求項21
記載のDNA検査装置。23. The method according to claim 21, wherein the spot diameter is substantially 1 / N of an integer N of the cell size D.
The DNA inspection apparatus according to claim 1.
分割し、1セル内にあるN2個のデータの内有意なデー
タのみを選択し、処理する上記制御系を有することを特
徴とする請求項22又は23の何れかに記載のDNA検
査装置。24. The control system according to claim 24, wherein N is set to 2 or more, the cell is divided into a plurality of parts, and only significant data is selected and processed from N 2 data in one cell. 24. The DNA testing device according to claim 22, wherein:
点数LN2に対し、LN2/(6×105)秒以内の時間
で蛍光検出することを特徴とする請求項24記載のDN
A検査装置。25. The DN according to claim 24, wherein fluorescence detection is performed within a time period of LN 2 / (6 × 10 5 ) seconds with respect to all the sample points LN 2 of the DNA chip to be inspected.
A inspection device.
の複数Mの照射スポットと共役な関係にある面上に形成
されるスポット像の径とほぼ同程度の有効径を有するM
個の受光開口有することを特徴とする請求項21記載の
DNA検査装置。26. The fluorescence detecting means according to claim 1, wherein said fluorescence detecting means has an effective diameter substantially equal to the diameter of a spot image formed on a surface having a conjugate relationship with a plurality of M irradiation spots on said DNA chip.
22. The DNA testing apparatus according to claim 21, wherein the DNA testing apparatus has two light receiving openings.
径を有するM個の受光開口は光ファイバ受光端であり、
該ファイバの出射端より出射する光を分離して検出する
蛍光検出手段であることを特徴とする請求項26記載の
DNA検査装置。27. M light receiving apertures having an effective diameter substantially equal to the irradiation spot image are optical fiber light receiving ends,
27. The DNA inspection apparatus according to claim 26, wherein the DNA inspection apparatus is a fluorescence detection unit that separates and detects light emitted from the emission end of the fiber.
ットはスポット径d、整数kに対しほぼkdの間隔を持
って直線上に配列し、当該スポットアレイを上記Δt時
間照射後、ほぼdだけアレイ方向に移動し、Δt時間照
射することを順次k回繰り返すことにより、アレイ方向
にkM個のスポット位置に亘り検査を行い、かつDNA
チップと上記対物レンズを少なくともアレイと直角方向
に、相対的に移動することによりDNAチップの所望の
2次元領域を検査する上記制御系を有することを特徴と
する請求項21記載のDNA検査装置。28. A plurality of M irradiation spots on the DNA chip are linearly arranged at intervals of about kd with respect to the spot diameter d and an integer k, and after irradiating the spot array with the Δt time, almost d. By moving in the array direction and irradiating Δt time successively k times, inspection is performed over KM spot positions in the array direction, and DNA
22. The DNA inspection apparatus according to claim 21, comprising the control system for inspecting a desired two-dimensional area of the DNA chip by relatively moving the chip and the objective lens at least in a direction perpendicular to the array.
器を用いて行うことを特徴とする請求項28記載のDN
A検査装置。29. The DN according to claim 28, wherein the movement of the spot array is performed using an acoustic light deflector.
A inspection device.
する請求項28記載のDNA検査装置。30. The DNA testing apparatus according to claim 28, wherein said integer k is 2 or more.
する請求項28記載のDNA検査装置。31. The DNA testing apparatus according to claim 28, wherein said integer k is 5 or more.
レイで形成することを特徴とする請求項21、28又は
29の何れかに記載のDNA検査装置。32. The DNA testing apparatus according to claim 21, wherein the spot array is formed by a micro lens array.
することを特徴とする請求項21、28又は29の何れ
かに記載のDNA検査装置。33. The DNA inspection apparatus according to claim 21, wherein the spot array is formed by a hologram.
と同期させ、励起光により生じた蛍光が上記受光開口上
のほぼ同一箇所に来るよう構成された偏向手段を具備し
た請求項21記載のDNA検査装置。34. The DNA test according to claim 21, further comprising a deflecting means configured to synchronize the movement of the spot array in the array direction so that fluorescence generated by the excitation light comes to substantially the same position on the light receiving aperture. apparatus.
を反射させる波長選択ビームスプリッタで構成されてい
ることを特徴とする請求項34記載のDNA検査装置。35. The DNA testing apparatus according to claim 34, wherein said deflecting means is constituted by a wavelength selection beam splitter that transmits excitation light and reflects fluorescence.
に蛍光のみを透過し励起光を遮光するフィルタを有する
ことを特徴とする請求項21項記載のDNA検査装置。36. The DNA testing apparatus according to claim 21, further comprising a filter that transmits only fluorescence and blocks excitation light in a fluorescence detection optical path separated from the excitation light path.
対物レンズの瞳上でほぼ同一位置Aを通過し、DNAチ
ップで正反射した当該励起光が対物レンズの瞳上の位置
B’に達するように構成し、当該対物レンズの瞳もしく
は、上記蛍光検出光路内に該対物レンズの瞳と共役な面
を蛍光検出手段と対物レンズの間に構成し、当該瞳上に
あるB′の位置もしくは瞳共役面上のB’の像位置に反
射励起光を遮光する手段を具備したことを特徴とする請
求項21記載のDNA検査装置。37. The M multi-excitation spot lights pass through substantially the same position A on the pupil of the objective lens, and the excitation light specularly reflected by the DNA chip reaches a position B 'on the pupil of the objective lens. And the pupil of the objective lens or a plane conjugate with the pupil of the objective lens in the fluorescence detection optical path is configured between the fluorescence detection means and the objective lens, and the position of B ′ on the pupil or 22. The DNA inspection apparatus according to claim 21, further comprising means for shielding reflected excitation light at an image position of B 'on the pupil conjugate plane.
対物レンズの瞳上でほぼ同一位置Aを通過し、DNAチ
ップで正反射した当該励起光が対物レンズの瞳上の上記
Aとは異なる位置Bを通過するように構成し、当該対物
レンズの瞳もしくは、蛍光検出光路内で対物レンズの瞳
と共役な位置にBを中心に所望の径の反射励起光を遮光
する部材を配置することを特徴とする請求項21記載の
DNA検査装置。38. The M multi-excitation spot lights pass through substantially the same position A on the pupil of the objective lens, and the excitation light specularly reflected by the DNA chip is different from the A on the pupil of the objective lens. It is configured to pass through the position B, and a pupil of the objective lens or a member that blocks the reflected excitation light of a desired diameter around B at a position conjugate with the pupil of the objective lens in the fluorescence detection optical path is disposed. The DNA testing apparatus according to claim 21, wherein:
DNAチップ内の異物から散乱した励起光を上記遮光手
段又は遮光部材外から取り出し、更に上記蛍光検出光路
から分岐し、DNAチップの照射スポットと共役な位置
で撮像する散乱像検出手段を具備し、当該散乱像検出手
段で得られた撮像情報を用いて、上記蛍光検出手段で得
られた情報を補正する制御系を有することを特徴とする
請求項37又は38の何れかに記載のDNA検査装置。39. The reflection excitation light is specular reflection excitation light,
Excitation light scattered from foreign matter in the DNA chip is taken out of the light-shielding means or the light-shielding member, further branched from the fluorescence detection optical path, and provided with scattered image detection means for imaging at a position conjugate with the irradiation spot of the DNA chip. 39. The DNA testing apparatus according to claim 37, further comprising a control system that corrects information obtained by the fluorescence detecting means using imaging information obtained by the scattered image detecting means. .
のレーザ光源により形成したことを特徴とする請求項2
1記載のDNA検査装置。40. The M number of multi-excitation spot lights are formed by a plurality of laser light sources.
2. The DNA testing device according to 1.
ーザ光源により形成したことを特徴とする請求項33記
載のDNA検査装置。41. The DNA testing apparatus according to claim 33, wherein said plurality of laser light sources are formed by a plurality of semiconductor laser light sources.
光ファイバに導入し、M個の所望のピッチで整列した当
該光ファイバの出射端から出射することによりM個のマ
ルチ励起スポット光を得る手段を具備したことを特徴と
する請求項40又は41の何れかに記載のDNA検査装
置。42. Light emitted from the plurality of laser light sources is introduced into an optical fiber, and emitted from the emission ends of the optical fibers arranged at M desired pitches, thereby obtaining M multi-excitation spot lights. 42. The DNA testing device according to claim 40, further comprising: means.
y画素数からなる2次元撮像装置であり、スポット径d
の励起光をnx、nyを整数とし、x方向にnxd、y
方向にnydのピッチでNx×Nyスポット同時に照射
し、得られるNx×Ny画素数からなる蛍光スポット像
を該超高感度2次元撮像装置で検出し、DNA検出装置
とDNAチップをピッチdで相対的にxy方向にnx×
nyステップ移動することによりDNAチップの所望の
領域を検出する上記制御系を有することを特徴とする請
求項21記載のDNA検出装置。43. The fluorescence detecting means according to claim 1, wherein said high sensitivity N x × N
This is a two-dimensional imaging device having y pixels, and has a spot diameter d.
The excitation light n x of the n y an integer, n x d in the x direction, y
N x × N y spots are simultaneously irradiated at a pitch of n yd in the direction, and a fluorescent spot image composed of the obtained number of N x × N y pixels is detected by the ultra-sensitive two-dimensional imaging device. The chip is relatively n x in the xy direction at the pitch d.
22. The DNA detection device according to claim 21, further comprising the control system for detecting a desired region of the DNA chip by moving by ny steps.
らなり、複数の蛍光体を付加した異なるターゲットを分
離して検出することを特徴とする請求項21記載のDN
A検査装置。44. The DN according to claim 21, wherein said excitation light source comprises a plurality of different wavelength light sources, and separates and detects different targets to which a plurality of phosphors are added.
A inspection device.
を付加したターゲットをハイブリダイゼーションした検
査面上に、上記励起スポット光の近傍に第2の光を斜め
入射させ、該検査面で反射した光の位置を検出すること
により、焦点検出し、この情報に基づき検査面と上記対
物レンズの相対距離を制御することにより焦点合わせを
行う焦点検出系を具備したことを特徴とする請求項21
記載のDNA検査装置。45. A second light is obliquely incident near the excitation spot light on the inspection surface of the DNA chip to be inspected on which the target to which the desired fluorescent substance is added is hybridized, and is reflected by the inspection surface. 22. A focus detection system for detecting a focus by detecting a position of light, and performing focusing by controlling a relative distance between an inspection surface and the objective lens based on the information.
The DNA inspection apparatus according to claim 1.
体を励起しない波長を用いることを特徴とする請求項4
5記載のDNA検査装置。46. The method according to claim 4, wherein the second obliquely incident light has a wavelength that does not excite the phosphor.
6. The DNA testing device according to 5.
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