JP2004279258A - Light measurement apparatus and method - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、遺伝子などの生体関連物質の検査に用いられ、例えば、DNA解析、疫学的解析などに用いられるマイクロアレイチップの読み取り、詳細にはマイクロアレイチップからの蛍光などを測定する光測定装置および方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、遺伝子工学分野における技術の発展は目覚しいものがあり、例えば、10万個にも及ぶと考えられるヒトゲノムの塩基配列を解読する研究が進められている。
【0003】
一方、各種の診断に使用され抗原抗体反応を利用する酵素免疫測定法や蛍光抗体法を始め、各種遺伝子疾患に影響を与えるDNAを探索する研究などには、マイクロアレイ技術が用いられている。
【0004】
マイクロアレイ技術は、例えば、Siウエハやスライドグラスやメンブレンフィルタ上に、プローブとして、cDNAやオリゴDNAをマトリックス状に高密度(数百μm以下の間隔)でスポットしたマイクロアレイチップを用いる技術である。
【0005】
このようなマイクロアレイ技術は、例えば、蛍光色素で標識された健常者の細胞から取り出したDNAや、蛍光色素で標識された遺伝子疾患を有する検体の細胞から取り出したDNAを、ピペットを用いてマイクロアレイチップの各プローブに滴下する。そして、各検体のDNAとプローブとをハイブリタイズさせ、この状態で各プローブについて、それぞれの蛍光色素を励起する励起光を照射し、プローブから発せられる蛍光を光検出器で検出する。その後、マイクロアレイチップ上からの蛍光検出の結果から、各検体のDNAがいずれのプローブとハイブリタイズされているかを求め、さらにハイブリタイズされたDNAを比較することにより、疾病により発現したDNAまたは欠損したDNAを特定するようにしたものである。
【0006】
ところで、マイクロアレイ技術に用いられるマイクロアレイチップの各プローブから発せられる蛍光を検出する技術としては、例えば特許文献1に開示されたものが知られている。
【0007】
図17は、特許文献1に開示されたマイクロアレイチップの読取り装置の概略構成を示すものである。この場合、101はマイクロアレイチップ、102はスライドガラス、103は結合物(被検出物)、104、105はステップモーター、106はステージ、107は励起光源、108はコリメータレンズ、109は偏向ビームスプリッタ、110は集光レンズ、111はフォトマルチプライヤー、112は位置指示手段である。
【0008】
このような構成において、まずステージ106上の決められた位置に、マイクロアレイチップ101が設置される。このとき、マイクロアレイチップ101上のプローブがスポットされていたそれぞれの位置は、ステージ106上のX軸方向の位置及びY軸方向の位置に対応付けされている。この対応付けは位置指示手段112から各ステップモーター104,105に入力される。一方、励起光源107からは励起光Lが出射される。この励起光Lはコリメーターレンズ108に入射して平行光束とされる。平行光束とされた励起光Lは偏向ビームスプリッタ109を透過し、集光レンズ110によりステージ106上に設置されたマイクロアレイチップ101上に集光される。
【0009】
各ステップモーター104,105は位置指示手段112から入力された指示位置に基づいて、励起光Lがマイクロアレイチップ101上の最初の所定位置を照射するようにステージ106をXY平面内で駆動し、その位置で停止する。励起光Lは、マイクロアレイチップ101上の最初の所定位置を、結合物103よりも広いスポット径で照射するが、この励起光Lで照射された最初の所定位置に結合物103が存在したときは、結合物103はその全体が励起光Lにより照射され、結合物103の蛍光色素が励起され、蛍光kを発光する。励起光Lで照射された最初の所定位置に結合物103が存在しないときは、マイクロアレイチップ101からは蛍光kが発する事は無い。結合物103が存在し蛍光kが発光されたときは、その蛍光kは集光レンズ110、偏向ビームスピリッタ109を順次通過して、フォトマルチプライヤー111に入射し、この光量に応じた電気信号に変換されて、外部の処理装置に出力される。外部の出力装置には、位置指示手段112から、励起光Lが照射した所定位置の情報が入力されており、所定位置と蛍光kの検出の有無及びその光量が対応付けられる。
【0010】
また、特許文献2には、光源からの光量を検出し、この検出値に基づいて光源の出射光量を制御することにより、マイクロアレイチップに対し変動のない安定した照明光を照射し、フォトマルチプライヤーにより各スポットの蛍光強度を測定するようにしたものが開示されている。
【0011】
【特許文献1】
特開2000−131237号公報
【0012】
【特許文献2】
米国特許第6406849号明細書
【0013】
【特許文献3】
特開平8−334709号公報
【0014】
【特許文献4】
特開平5−183851号公報
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献1に開示された装置は、フォトマルチプライヤー111を用いてマイクロアレイチップ101から発せられる蛍光kの光量を光電変換し、出力信号の強弱をデータ処理手段などで数値化するようにしている。
【0016】
ところで、フォトマルチプライヤー111のような受光素子は、入射する光を光電変換できる光の強度範囲(ダイナミックレンジ)が決まっており、このため、マイクロアレイチップ101でのハイブリタイズにより発せられる蛍光の光量を測定できる範囲に制約を受ける。
【0017】
ところが、マイクロアレイチップ101上のプローブcDNAと蛍光色素で標識されたDNAとのハイブリタイズは、反応時のばらつき、つまり、発現度合いにより、単一照明条件下において、非常に明るい蛍光を発する場合と極めて弱い蛍光を発する場合とがある。
【0018】
このため、フォトマルチプライヤー111を使用した場合、ダイナミックレンジが、検出系のダイナミックレンジを決定してしまうことがある。このことは、仮に、マイクロアレイチップ101のスポット(プローブ103)でもっとも弱い蛍光を発するところの蛍光量を測定できるようにフォトマルチプライヤー111の駆動電圧(HV:ハイボルトとも言う)を合わせておくと、最も明るい蛍光を発するスポット(プローブ103)からの蛍光量を測定したときにフォトマルチプライヤー111の出力がオーバーフローしてしまい、正確な蛍光量が測定できなくなる。
【0019】
そこで、各スポット(プローブ103)から発する蛍光量ごとにフォトマルチプライヤー111の駆動電圧を変更しながら出力信号を得ることが考えられるが、駆動電圧によってS/Nが変化してしまうため、その後の各スポットの蛍光量を比較するにふさわしい正確な出力を取得することができない。
【0020】
フォトマルチプライヤー111については、特性上、駆動電圧によって最も量子効率の良いところがあり、この量子効率の最も良い状態の駆動電圧により使用することが望ましい。しかし、上述したように駆動電圧を変化させる考えのものでは、フォトマルチプライヤー111の性能も十分に発揮することができない。
【0021】
また、フォトマルチプライヤー111に代えて、二次元測光を可能にしたCCDカメラを用いることも考えられる。このようなCCDカメラをを用いれば、一回の露光でマイクロアレイチップ101の全てのスポット(プローブ103)からの蛍光を一度の露光で取り込むことができる。
【0022】
しかし、このようなCCDカメラについてもダイナミックレンジが決まっているため、このダイナミックレンジが狭いと撮像画面上で蛍光量の弱いスポットは真っ暗で見えないため輝点としてのデータが取り出せず、また、非常に蛍光量の大きいスポットは真っ白な状態で出力がオーバーフローした状態になり正しい蛍光量を測定することができない。つまり、ダイナミックレンジに応じた狭い範囲の蛍光量の変化にしか対応できないこととなる。
【0023】
また、このような問題点を解決するためCCDカメラにおいて、ゲインや露光時間を変えて撮影し、その後、撮像データ処理をして全てのスポットの蛍光量を測定することも考えられるが、このようにしても、CCDカメラは露光時間やゲインによって暗ノイズが乗ったりS/Nが変化するため、各スポット(プローブ103)間の正しい蛍光量測定をすることは困難であった。
【0024】
一方、特許文献2には、光源からマイクロアレイチップに対し変動のない安定した照明光を照射し、フォトマルチプライヤーにより各スポットの蛍光強度を測定するものが開示されるが、ここでは、光源からの照明光量を一定に制御することが開示されるだけで、各スポットから発せられる蛍光の強度が変化した場合の対応については何ら述べられていない。
【0025】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、常に最適な状態で、信頼性の高い正確な光測定を行なうことができる光測定装置および方法を提供することを目的とする。
【0026】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の発明は、光源と、前記光源からの光が照射される試料と、前記試料からの光の強度を検出する光検出手段と、前記光源と試料との間の光路に配置され前記光源より前記試料に照射される光の量を調整可能にした光量調整手段と、前記光検出手段により検出される光の強度が予め設定された規定値になるように前記光量調整手段による前記試料に照射される光の量を制御する制御手段と、前記制御手段の制御により前記光検出手段により検出される光の強度が前記規定値に一致したときの前記光量調整手段による光量調整情報に基づいて前記光検出手段の検出結果を補正する出力補正手段とを具備したことを特徴としている。請求項2記載の発明は、請求項1記載の発明において、前記光量調整手段は、前記試料に照射される光の量を連続的または段階的に調整可能にした光学素子からなることを特徴としている。
【0027】
請求項3記載の発明は、請求項1記載の発明において、前記光量調整手段は、前記試料と光学的共役位置に配置され、且つ選択的に偏向制御可能な複数の微小偏向素子を有するとともに、これら微小偏向素子の偏向制御に応じて前記光源から前記試料に照射される光の量を調整可能にした光偏向素子アレイからなることを特徴としている。
【0028】
請求項4記載の発明は、請求項3記載の発明において、前記試料は、反応液中の検体とプローブとの反応を検出するマイクロアレイチップからなり、さらに前記テストサイト中の反応液を移動させる移動手段を有し、前記光偏向素子アレイによる前記試料に照射される光の量の調整動作を前記移動手段による前記反応液の移動と同期させることを特徴としている。
【0029】
請求項5記載の発明は、光源からの光を試料に照射し、前記試料からの光の強度を光検出手段で検出し、前記光源より前記試料に照射される光の量を光量調整手段により調整可能とするとともに、前記光検出手段により検出される光の強度が予め設定された規定値になるように前記光量調整手段による前記試料に照射される光の量を制御し、この制御により前記光検出手段より検出される光の強度が前記規定値に一致したときの前記光量調整手段による光量調整情報に基づいて前記光検出手段の検出結果を補正することを特徴としている。
【0030】
この結果、本発明によれば、光検出手段は、ダイナミックレンジに影響されることなく広範囲に亘って、常に最適な状態で信頼性の高い蛍光測定を行なうことができる。
【0031】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に従い説明する。
【0032】
(第1の実施の形態)
図1は、本発明が適用される光測定装置の概略構成を示している。図において、1は照明用の光源で、この光源1から発せられる照明光の光路上には、コレクタレンズ2、照明光学系のリレーレンズ3、励起フィルタ4を介して偏向ビームスプリッター5が配置されている。コレクタレンズ2は、光源1からの照明光を平行光に変換するものである。励起フィルタ4は、照明光から蛍光観察用の励起光を選択するためのものである。偏向ビームスプリッター5は、励起フィルタ4からの励起光を反射し、後述するマイクロアレイチップ7からの蛍光を透過するようになっている。
【0033】
偏向ビームスプリッター5の反射光路には、対物レンズ6を介して試料としてのマイクロアレイチップ7が配置されている。
【0034】
マイクロアレイチップ7は、ステージ8上に載置されている。ステージ8は、コントローラ9に接続されたXモータ10およびYモータ11の駆動により指定された位置にマイクロアレイチップ7を移動できるようになっている。
【0035】
例えば、図2(a)(b)は、本発明を適用することが可能なマイクロアレイチップ7の概略構成を示すものである。
【0036】
図2(a)において、701は、マイクロアレイチップ本体で、このマイクロアレイチップ本体701は、直方体をなすもので、前面幅方向に沿って突出部701aが形成されている。マイクロアレイチップ本体701の上面には、複数(図示例では4個)のテストサイト702が開口されている。また、マイクロアレイチップ本体701の突出部701a前面には、テストサイト702に対応する複数(図示例では4個)の吸排出穴703が形成されている。これら吸排出穴703は、マイクロアレイチップ本体701内部で、それぞれ対応するテストサイト702の開口と連通されている。
【0037】
テストサイト702の底部(底部には孔が形成されている)には、同図(b)に示すようなアルミニウム陽極酸化膜で構成され基板704が設けられている。この基板704上には、cDNAやオリゴDNAなどのプローブ705がマトリックス状に高密度(数百μm以下の間隔)でスポットされている。各テストサイト702には、蛍光色素で標識された遺伝子疾患を有する検体細胞から取り出したDNA(反応溶液)がピペット等で滴下され、検体のDNAとプローブとをハイブリタイズさせるようにしている。
【0038】
この場合、テストサイト702に滴下された反応溶液とプローブとのハイブリタイズ速度を高めるため、吸排出穴703には、反応液の移動手段としての図1に示すポンプ14がテフロンチューブ15を介して接続されている。つまり、ポンプ14による反応液の吸引・排出動作により、反応溶液を基板704に対し繰り返し通過させることで、ハイブリタイズ速度を高めるようにしている。
【0039】
図1に戻って、偏向ビームスプリッター5の透過光路には、結像レンズ12を介して光検出手段としてのフォトマルチプライヤー(PMT)13が配置されている。結像レンズ12は、マイクロアレイチップ7から発せられた蛍光をフォトマルチプライヤー13に導くものである。フォトマルチプライヤー13は、蛍光を受光すると、その蛍光の強度に応じて微小なパルス状の電流波形を信号Oとして出力するようになっている。
【0040】
フォトマルチプライヤー13には、電源ユニット16が接続されている。この電源ユニット16は、フォトマルチプライヤー13の駆動電圧(HV:ハイボルト)を可変できるものである。この実施の形態では、駆動電圧として、最も量子効率が良い電圧を固定値としてフォトマルチプライヤー13に供給するようにしている。
【0041】
コレクタレンズ2とリレーレンズ3の間の光路には、光量調整手段としての回転式のNDフィルタ17が配置されている。このNDフィルタ17は、図3に示すように円板状をなすとともに、その板面を円周方向に沿って光透過率(ND値)を連続して変化するようなフィルタに構成している。図示例では、色の濃淡により光透過率(ND値)の異なるフィルタを示しており、色の薄い部分が最も光透過率が大きく、色の濃い部分が最も光透過率が小さいフィルタ部を表わしている。従って、このようなNDフィルタ17を回転させることによって段階的もしくは連続的に光透過率(ND値)を可変できる。
【0042】
この実施の形態では、ND値を連続的に変化する特性を要する回転式のNDフィルタ17を使用している。勿論、ND値の変化が段階的であってもよい。
【0043】
NDフィルタ17には、ステッピングモーター18が回転軸181を介して接続されている。ステッピングモーター18には、バイポーラ式二極のものが用いられている。
【0044】
ステッピングモーター18には、回転式の位置検出用センサ板19が設けられている。位置検出用センサ板19は、ステッピングモーター18の回転軸181と軸心を一致させて連結された回転軸182に固定され、NDフィルタ17の回転と全く同期して回転するようになっている。
【0045】
また、位置検出用センサ板19には、周面には一箇所だけにスリット191が設けられ、このスリット191位置を基準位置として設定されている。
【0046】
位置検出用センサ板19には、フォトインタラプタ20が近接して設けられている。このフォトインタラプタ20は、位置検出用センサ板19のスリット191を検出するもので、この検出信号をNDフィルタ17が原点位置にいることを表わす信号Rとして出力するようになっている。ここでは、回転式のNDフィルタを1枚使用した場合について説明したが、複数枚を組み合わせて用いてもよく、スライド式のNDフィルタを用いることもできる。
【0047】
フォトマルチプライヤー13、ステッピングモーター18およびフォトインタラプタ20には、制御手段としての制御部21が接続されている。制御部21は、フォトマルチプライヤー13から出力される信号Oを解析して規定値と一致しているか判断し、これらの一致により出力補正処理としてNDアドレス−蛍光量変換処理(出力補正手段)を実行し、さらに、ステッピングモーター18を駆動する信号Mを出力したり、フォトインタラプタ20からの信号Rを検出してNDフィルタ17の原点位置を検出したりするものである。
【0048】
制御部21には、コンピュータ(PC)22が接続されている。コンピュータ22は、制御部21に対して制御信号Cを出力したり、制御部21から出力される蛍光強度信号Fを取り込んで、不図示のモニター画面上に表示させる機能を有し、さらに、コントローラ9に対してステージ8を指定位置まで動かすための指示信号Sを出力したり、ポンプ14に対して吸引・排出動作を指示する制御信号Pを出力するようになっている。
【0049】
図4は、制御部21の概略構成を示している。図において、211はバッファ機能を有する電流−電圧変換回路で、この電流−電圧変換回路211は、不図示のオペアンプやコンデンサなどで構成され、フォトインタラプタ20から出力されるパルス状の電流波形の信号Oの波形帯域を鈍らせて、電圧出力Vに変換するようになっている。電流−電圧変換回路211には、A/Dコンバーター212が接続されている。A/Dコンバーター212は、入力される電圧出力VをサンプリングクロックCLKのタイミングでサンプリングして、10ビットのデジタル信号(D0〜D9)として出力するようにしている。A/Dコンバーター212には、コントロール部213が接続されている。コントロール部213は、制御部21の動作全体を司るもので、FPGAで設計されている。
【0050】
コントロール部213には、予め基準値として設定された基準出力値データと、A/Dコンバーター212から出力されるフォトマルチプライヤー13の出力とを比較するための不図示のマグニチュードコンパレーター等が組み込まれている。
【0051】
また、コントロール部213は、ステッピングモーター18を駆動するための6本の駆動信号(M1〜M6)を出力するようになっている。これら駆動信号(M1〜M6)は、モータードライバー215に送られる。モータードライバー215は、不図示のMOS−FETなどで構成されていて、コントロール部213から出力された駆動信号(M1〜M6)を増幅してステッピングモーター18にOM1〜OM6として出力するようにしている。
【0052】
さらに、コントロール部213は、コンピュータ22に対して蛍光強度信号Fを12ビットのデータとして出力し、また、コンピュータ22からの各種コマンドに相当する指示信号Sを受け取り適宜必要なシーケンスを実行するようになっている。
【0053】
さらに、コントロール部213は、フォトインタラプタ20からNDフィルタ17が原点位置にいることを表わす信号Rを受信すると、内部の不図示のアドレスカウンターをリセットする。このアドレスカウンターは、16ビットのもので、アップカウントもダウンカウントも可能にしている。
【0054】
コントロール部213には、クロック源214が接続されている。このクロック源214は、コントロール部213のFPGAを駆動するためのもので、例えば40MHzのクロック信号を出力するようになっている。
【0055】
次に、このように構成された第1の実施の形態の動作を説明する。
【0056】
なお、ここでは、本実施の形態に直接関係ないハイブリタイズ動作原理そのものについては、その説明を割愛する。
【0057】
この場合、ハイブリタイズ動作が終了すると、図5に示すフローチャートが実行される。
【0058】
まず、制御部21は、ステップ501で初期化を行なう。この場合。NDフィルタ17を基準位置に持ってくるための原点検出動作を開始する。制御部21は、フォトインタラプタ20の信号レベルを検出し、現在の状態が原点位置かどうかを判断する。位置検出用センサ板19のスリット191がフォトインタラプタ20の位置に来ていると、フォトインタラプタ20は、Lレベルを出力する。
【0059】
図示例のように、フォトインタラプタ20とスリット191が一致していないと、フォトインタラプタ20がHレベルとなって、原点位置に来ていないことがわかるので、制御部21は、ステッピングモーター18に駆動信号Mを出力してステッピングモーター18を回転させる。これによりNDフィルタ17もステッピングモーター18の回転に同期して回転される。そして、NDフィルタ17が原点位置に達して、フォトインタラプタ20からの信号RがLレベルとなると、制御部21は、ステッピングモーター18の動作を止める。次に、制御部21は、コントロール部213内部の不図示のアドレスカウンタをリセットする。
【0060】
なお、本実施の形態では、NDフィルタ17の原点位置は、ND値の可変範囲の中間の位置となっている。
【0061】
次に、コンピュータ22は、ステージ8を原点位置に移動させるため、コントローラ9に指示信号Sを出力する(ステップ502)。続いて、測定スタートをユーザーがコンピュータ22の不図示のキーボードから指示すると、ステージ8上のマイクロアレイチップ7のテストサイト702の一つが指定されると同時に、テストサイト702内のマトリックス状に位置されたスポット(プローブ705)の一つが指定され、このスポット(プローブ705)の蛍光輝度を測定できる位置にステージ8を移動させる。
【0062】
ステップ503で、ステージ8が指定位置まで移動したことを確認されると、光源1から照明光が出射される。照明光はコレクタレンズ2に入射して平行光となり、NDフィルタ17、リレーレンズ3を透過して励起フィルタ4に入射される。そして、励起フィルタ4で励起光が選択され、偏向ビームスプリッター5で反射し、対物レンズ6によりマイクロアレイチップ7の指定されたテストサイト702内部のさらに指定されたプローブ705上に集光される。
【0063】
そして、スポット(プローブ705)において、標識された検体の蛍光色素が励起され、蛍光が発せられると、この蛍光は、対物レンズ6、偏向ビームスプリッター5を透過し、結像レンズ12によりフォトマルチプライヤー13に入射される。
【0064】
コンピュータ22は、制御部21に対してフォトマルチプライヤー13から出力されたパルス状の電流波形の信号Oをサンプリングするためのサンプリング開始指令を制御信号Cで出力する(ステップ504)。
【0065】
サンプリング開始指示を受けた制御部21は、コントロール部213よりA/Dコンバーター212にCLKを出力してサンプリングを開始する。サンプリングが開始されると、A/Dコンバーター212は、現在のフォトマルチプライヤー13からの出力値を10ビットのデジタルデータとしてコントロール部213に出力する。
【0066】
コントロール部213は、A/Dコンバーター212からの10ビットデジタルデータとコントロール部213に予め規定値として設定された基準出力値データとを比較する(ステップ505)。
【0067】
ここで、A/Dコンバーター212のデータが基準出力値データよりも大きい場合、つまり、フォトマルチプライヤー13の出力が大きい場合(ステップ506)、コントロール部213は、NDフィルタ17の光透過率を下げるためにステッピングモーター18を右回転させるための駆動信号(M1〜M6)を出力する(ステップ507)。
【0068】
この駆動信号(M1〜M6)は、モータードライバー215により電流増幅され、信号OM1〜OM6となりステッピングモーター18を回転させる。これと同時にコントロール部213は、内部のアドレスカウンタをステッピングモーター18を動作させた分だけカウントダウンする(ステップ508)。このような動作により、光源1よりNDフィルタ17を通してスポット(プローブ705)上に集光される励起光の光量が減少し、蛍光の輝度が減少して、フォトマルチプライヤー13の出力が低減される。
【0069】
一方、A/Dコンバーター212のデータが基準出力値データよりも小さい場合、つまり、フォトマルチプライヤー13の出力が小さい場合(ステップ509)、コントロール部213は、NDフィルタ17の光透過率を上げるためにステッピングモーター18を左回転させるための駆動信号(M1〜M6)を出力する(ステップ510)。
【0070】
この駆動信号(M1〜M6)は、モータードライバー215により電流増幅され、信号OM1〜OM6となりステッピングモーター18を回転させる。これと同時にコントロール部213は、内部のアドレスカウンタをステッピングモーター18を動作させた分だけカウントアップする(ステップ511)。このような動作により、光源1よりNDフィルタ17を通してスポット(プローブ705)上に集光される励起光の光量が増加し、蛍光の輝度が増加して、フォトマルチプライヤー13の出力が増加される。
【0071】
これにより、仮に、図6(a)に示すフォトマルチプライヤー13の出力が基準出力値データ(規定値)より大き過ぎる場合は、同図(b)に示すNDフィルタ17を右回転させて光透過率を下げるとともに、同図(c)に示すアドレスカウンタをカウントダウンさせる(図示期間T1)。この間の動作で、スポット(プローブ705)上に集光される励起光の光量が減少し、蛍光の輝度が減少して、フォトマルチプライヤー13の出力が低減される。しかし、この結果として、フォトマルチプライヤー13の出力が基準出力値データ(規定値)より下がり過ぎてしまうと、今度は、同図(b)に示すNDフィルタ17を左回転させて光透過率を上げるとともに、同図(c)に示すアドレスカウンタをカウントアップさせる(図示期間T2)。この間の動作で、今度は、プローブ705上に集光される励起光の光量が増加し、蛍光の輝度が増加して、フォトマルチプライヤー13の出力も増加される。以下、このような動作を、期間T3以降についても繰り返し実行し、期間T4に示すフォトマルチプライヤー13の出力と基準出力値データ(規定値)と一致する状態を待って終了する。
【0072】
そして、ステップ512で、フォトマルチプライヤー13の出力と基準出力値データ(規定値)と一致すると、出力補正処理としてNDアドレス−蛍光量変換処理を行い(ステップ513)、コンピュータ22に12ビットのデジタルデータFとして出力される。ここで、NDフィルタ17が原点位置にある時にフォトマルチプライヤー13の出力、つまりA/Dコンバーター212のデジタルデータと、基準出力値データ(規定値)と一致した時のアドレスカウンタの値が0になるとして、このときの蛍光輝度を十進数で2048(12ビットで1000 0000 0000 0000)をデータFとして出力する。
【0073】
これにより、フォトマルチプライヤー13の出力と基準出力値データ(規定値)とが一致した時点で、アドレスカウンタの値が0よりも小さい場合は、蛍光輝度データとして2048よりも大きい、つまり、蛍光が明るいためNDフィルタ17の光透過率を下げるようなデータFを出力する。例えば、本実施の形態において、アドレスカウンタの値が−16384であったような場合は、上述の蛍光輝度データよりも1.5倍明るいことになるので、蛍光輝度は、3072となる。また、アドレスカウンタの値が0よりも大きい場合は上述と逆の結果となり、例えばアドレスカウンタの値が16384であったような場合は、上述の蛍光輝度データより半分の明るさになることから、蛍光輝度は、1024となる。
【0074】
これらの蛍光輝度は、蛍光量データFとしてコンピュータ22に出力される(ステップ514)。
【0075】
その後、同一テストサイト702中の蛍光測定したい他のスポット(プローブ705)についても、それぞれのスポット(プローブ705)の測定可能な位置にステージ8を移動しながら、上述の測定動作を繰り返し、さらに他のテストサイト702についても同様にして測定を繰り返し行なう。つまり、同一テストサイト702中の蛍光測定したいスポット(プローブ705)について順に上述した測定動作を行い、その後、次のテストサイト702に移って、同様にして蛍光輝度を測定したいスポット(プローブ705)に対し上述した測定動作を繰り返し、全てのテストサイト702について測定動作を行なう。
【0076】
そして、ステップ515で、全てのテストサイト702およびスポット(プローブ705)に対する蛍光輝度測定を終了したことが判断されると、処理を終了する。
【0077】
従って、このようにすれば、スポット(プローブ705)からの蛍光輝度に応じたフォトマルチプライヤー13の出力と予め設定された基準値と比較結果から光路中に配置されるNDフィルタ17の光透過率を変化させてフォトマルチプライヤー13の出力を常に一定に制御し、このときのNDフィルタ17の光透過率のデータに基づいて蛍光量変換処理などのフォトマルチプライヤー13の出力補正を行なうようにしている。これにより、フォトマルチプライヤー13は、ダイナミックレンジに影響されることなく広範囲に亘って、常に最適な状態で信頼性の高い正確な蛍光測定を行なうことができる。また、特に、フォトマルチプライヤー13については、最も量子効率が良い駆動電圧(HV:ハイボルト)を固定値として設定することができるので、さらに安定した状態で、精度の高い蛍光測定を実現できる。
【0078】
さらに、このような考えは、フォトマルチプライヤー13などの検出器のダイナミックレンジの影響だけでなく、例えば、蛍光色素の発光効率に非線形がある場合にも適用することができる。
【0079】
なお、上述した実施の形態では、NDフィルタ17は回転式のものを使用したが、光路中にあるND値のNDフィルタを複数枚挿入するような機構を使用することも何ら問題ない。この場合、挿入するNDフィルタのND値と挿入枚数を管理できる機能を持たせればよい。
【0080】
また、上述した実施の形態では、ハイブリタイズ後にデータを取得する動作を中心に説明したが、ハイブリタイズの途中経過のデータを取得するようにもできる。この場合、ポンプ14の1回の動作に対して1回、所望のスポット(プローブ705)の蛍光輝度を解析する動作を実行するように、コンピュータ22が制御部21、ポンプ14などを動作させることは、なんら困難を要することなく可能である。
【0081】
さらに、上述した実施の形態では、マイクロアレイチップ7として、基板にアルミニウム陽極酸化膜を用いたものを説明したが、マイクロアレイチップの基板には特に制限はなく、シリコンウエハ、ガラス等の2次元基板や、その他、種々の多孔質基板を用いることが可能である。特に、マイクロアレイチップの基板に多孔質基板を用いた場合には、ポンプ14を用いてテストサイト702内の反応溶液を移動させハイブリダイゼーション反応を行なわせながら、検出することが可能となるのでより好ましい。
【0082】
さらにまた、上述した実施の形態では、NDフィルタ17を用い、フォトマルチプライヤー13の出力に応じてNDフィルタ17の光透過率を調整するようにしたが、例えば、図1に示すように、対物レンズ6の瞳位置に開口絞り23を配置し、制御部21によりフォトマルチプライヤー13の出力と基準出力値データ(規定値)と一致するように開口絞り23の開度を制御し、この状態で開口絞りの開度のデータに基づいてフォトマルチプライヤー13の出力について蛍光量変換処理を行なうようにしてもよい。もしくは、照明1の点灯方式をパルス点灯方式にして、その点灯デューティを変更することでマイクロアレイチップに照射される照明光量を調整する方式を取ることも可能である。フォトマルチプライヤー13の出力と基準出力値データ(基準値)と一致するように点灯デューティを制御し、この状態で点灯デューティのデータに基づいてフォトマルチプライヤー13の出力について蛍光量変換処理を行なうようにしてもよい。
【0083】
(第2の実施の形態)
次に、本発明の第2の実施の形態を説明する。
【0084】
図7は、第2の実施の形態の概略構成を示すもので、図1と同一部分には、同符号を付している。
【0085】
この場合、光源1から発せられる照明光の光路上には、コレクタレンズ2を介して反射ミラー31が配置されている。反射ミラー31の反射光路上には、光量調整手段としての光偏向素子アレイ、例えば、DMD(Digital Micromirror Device)32が配置されている。このDMD32については、詳細を後述する。
【0086】
DMD32の反射光路(図示B方向)には、リレーレンズ3、励起フィルタ4を介してダイクロイックミラー33が配置されている。ダイクロイックミラー33は、励起フィルタ4からの励起光を反射し、マイクロアレイチップ7からの蛍光を透過するようになっている。
【0087】
ダイクロイックミラー33の反射光路には、対物レンズ6を介してマイクロアレイチップ7(詳細は図2参照)が配置されている。また、ダイクロイックミラー33の透過光路には、結像レンズ12を介して、光検出手段としてのCCDカメラ34が配置されている。
【0088】
CCDカメラ34は、コンピュータ22に搭載されている不図示の専用PCIボードとケーブル接続されていて、コンピュータ22より撮像開始タイミングやシャッター速度などの指示データが与えられ、また、画像データをコンピュータ22へ直接送信するようになっている。
【0089】
この実施の形態では、CCDカメラ34のゲイン、シャッター速度などが、カメラ自身のS/N比などの特性を基に、固定値として設定されている。また、コンピュータ22へ出力される画像データは、12ビットデータとして送られる。また、CCDカメラ34は、上述の不図示のPCIボードから電源供給されている。
【0090】
図8は、DMD32の概略構成を示している。
【0091】
DMD32は、例えば、特許文献3に開示されているようなもので、図8に示すようにCMOS基板321上にランディングチップ322、ヨーク323、ヒンジ324を有し、これらの上に、例えば16μm角の微小ミラー325が取り付けられている。CMOS基板321上は、メモリーとして一般的に知られているSRAMと同様の原理、構造をなしており、指定のメモリアドレスに1もしくは0を書き込むのと同様の操作によって、ミラー325をon・offさせることができるようになっている。通常、ミラー325がoffしている時には、図8に示す2つのミラー325のうち左側(−10度)の状態になっており、ミラー325がonしているときは、同図に示す2つのミラー325のうち右側(+10度)の状態になる。そして、このような制御が可能なミラー325が、例えば1000×1000のマトリクス状に構成されていて、各ミラー325に対して夫々独立してon・off制御をすることができるようになっている。
【0092】
このようなDMD32は、複数の微小ミラー325が照明光軸に対して垂直で、対物レンズ6の光軸に対して垂直に投影されるようにマイクロアレイチップ7の光学上共役の位置に配置されている。そして、制御部35からの駆動信号Qによって複数のミラー325を夫々独立して10μsecオーダーの応答速度で選択的にon・off制御されるようになっている。図面では、ミラー325がon状態にあるときは光源1から出射された光は、B方向に向けられ、マイクロアレイチップ7を照明可能とし、また、off状態の場合、光はA方向に向けられ、マイクロアレイチップ7を照明できないようにしている。
【0093】
図9(a)(b)は、実際のミラー325の動作状態を示しており、同図(a)は、off状態を、同図(b)は、on状態を示している。
【0094】
図10は、ミラー325のon・off状態と、ミラー325で反射される光の向きについて示している。つまり、同図(a)は、off状態を示し、入射光がA方向に反射され、マイクロアレイチップ7を照明できない状態となり、また、同図(b)は、on状態を示し、入射光がB方向に反射され、マイクロアレイチップ7を照明できるようになる。
【0095】
図11は、DMD32のon・off動作による光量調整について示している。この場合、DMD32のミラー動作は、1周期(1/f)ごとにon・offのデューティを変更することで、光量を調整するPWM制御を行う。ここで、同図(a)に示すように、ミラー325のon時間が長い場合は、光源1から出射された光により、マイクロアレイチップ7を長時間照明できることとなり、同図(b)に示すようにミラー325のon時間が短い場合は、光源1から出射された光により、マイクロアレイチップ7を短時間だけ照明されることになる。
【0096】
これらを纏めると、図12(a)に示すようにミラー325のon時間が長い場合は、マイクロアレイチップ7に照射される光は強く、逆に、同図(b)に示すようにミラー325のon時間が短い場合は、マイクロアレイチップ7に照射される光は弱くなり、このようにしてミラー325のPWM制御を行うことにより、マイクロアレイチップ7に照射される単位時間あたりの照明のエネルギー、つまり光量を調整することができる。
【0097】
なお、DMD32の駆動方法などの詳細については、特許文献4などに開示されているので、ここでは割愛する。
【0098】
図7に戻って、マイクロアレイチップ7を載置するステージ8は、コントローラ9に接続されたXモータ10によって1次元方向に移動できるようになっている。コントローラ9は、コンピュータ22からの指示に基づきXモータ10を駆動する。
【0099】
マイクロアレイチップ7には、テフロンチューブ15を介してポンプ14が接続されている。ポンプ14は、制御線Pを介してコンピュータ22に接続されていて、コンピュータ22からの指示を受けて、マイクロアレイチップ7に対し反応溶液の吸引・排出を行ない、基板704に反応溶液を繰り返し通過させることで、ハイブリタイズを行なわせるようにしている。
【0100】
次に、このように構成された第1の実施の形態の動作を説明する。
【0101】
この場合、ハイブリタイズ動作が終了すると、図13に示すフローチャートが実行される。
【0102】
まず、使用者は、コンピュータ22に接続されている不図示のキーボードから、マイクロアレイチップ7の所望のテストサイト702およびスポット(プローブ705)を指示し、続けて蛍光測定開始を指示する。また、ここでは、テストサイト702の全スポット(プローブ705)の一括測定を指示する。
【0103】
まず、コンピュータ22は、コントローラ9に指示信号Sを出力し、Xモータ10を駆動してマイクロアレイチップ7の指定されたテストサイト702のスポット(プローブ705)の蛍光測定ができる位置にステージ8を移動させる(ステップ1301、1302)。
【0104】
次に、コンピュータ22は、蛍光輝度測定を開始するスポット(プローブ705)のみに照明光を照射するため、、制御部35にスポットアドレスを信号線Cにより出力する。また、ポンプ14に対しても、ポンプ14の吸引・排出動作の指示を制御線Pにより出力する。
【0105】
ポンプ14は、制御線Pを介した動作指示によりテストサイト702内の反応溶液を吸い出したり押し出したりして、アルミナ基板704内を行ったり来たりさせる。つまり、テストサイト702内の反応溶液は、図14(a)に示す充填された状態と、同図(b)に示す取り除かれた状態を繰り返す。
【0106】
この状態で、コンピュータ22は、ポンプ14に対して不図示のシリンダを吸引状態で停止するように指示する。こうすることで、マイクロアレイチップ7のテストサイト702に滴下された反応溶液は、ポンプ14側に引かれ、反応したスポット(プローブ705)が露出した状態になる(図14(b)参照)。
【0107】
この状態は、蛍光輝度測定に最も適していることから、コンピュータ22は、スポット(プローブ705)に光を照射するためにDMD32のミラー325をPWM制御する。一方で、テストサイト702内に反応溶液が充填された、図14(a)に示す状態では、スポット(プローブ705)に光を当てないようにするため、コンピュータ22は、DMD32のミラー325をoffさせるようにしている。
【0108】
コンピュータ22がDMD32のミラー325をPWM制御した状態で、蛍光輝度測定が開始される。
【0109】
この場合、光源1から出射される照明光は、コレクタレンズ2に入射して平行光となり、反射ミラー31で反射され、DMD32に入射される。そして、DMD32のPWM制御により決定される反射光がリレーレンズ3を透過して励起フィルタ4に入射される。そして、励起フィルタ4で励起光が選択され、ダイクロイックミラー33で反射し、対物レンズ6によりマイクロアレイチップ7の指定されたテストサイト702のスポット(プローブ705)上に集光される。
【0110】
そして、スポット(プローブ705)において、標識された検体の蛍光色素が励起され、蛍光が発せられると、この蛍光は、対物レンズ6、ダイクロイックミラー33を透過し、結像レンズ12によりCCDカメラ34の不図示の撮像面に結像される。
【0111】
この場合、DMD32のPWM制御は、制御部35からの駆動信号Qにより指示される。
【0112】
図15は、制御部35の構成を示している。この場合、信号線Cは10ビットからなっており、上位2bitがDMD32のミラー325をon・off動作させる指示およびデューティーの変更を指示し、下位8bitがスポット(プローブ705)の位置情報を指示するものである。そして、下位8bitの信号線は、ミラーアドレスジェネレーター351に接続されている。ミラーアドレスジェネレーター351は、例えば、最初のスポット(プローブ705)位置を照明したい場合、そのスポット(プローブ705)のみを照明するDMD32の複数のミラー325のアドレスを計算し、DMDドライバ352のフレームメモリー352aに画像データのような形で送信する。
【0113】
この場合、蛍光輝度測定されるスポット(プローブ705)とDMD32の複数のミラー325の関係は、図16に示すようになっている。ここでは、DMD32全領域のうちの一部、図示32aで示す領域のミラー325のみがon状態となっている。つまり、スポット(プローブ705)は、on指示された領域32a中の複数のミラー325によってスポット形状に光が照射される。
【0114】
同様にして、DMD32全領域のミラー325は、複数の領域に区分され、これら領域が多数のスポット(プローブ705)に割り当てられ、それぞれの領域中のミラー325のon指示によって、対応するスポット(プローブ705)にスポット形状の光を照射するようになっている。
【0115】
DMD32は1000×1000のマイクロミラー群で構成されており、DMDドライバ352内部のフレームメモリー352aには、1000×1000全てのミラー325のon・offデータがビデオメモリーのように格納されている。DMDドライバ352は、クロック353により駆動され、フレームメモリー352aの内容に基づいてDMD32を駆動するための駆動信号Qを作り出し、DMD32に送信する。また、DMDドライバ352は、スポット(プローブ705)に光を照射するミラー群、つまり図16に示す領域32a中のミラー325をon・offするためのデューティー情報を出力する。この場合、本実施の形態では、4096段階のPWM制御を可能にするため、12bitとなっている。このデューティ情報は信号Fとしてコンピュータ22に出力される。
【0116】
この状態で、コンピュータ22からCCDカメラ34に対して信号線Vを介して撮像指示コマンドが送信されると、CCDカメラ34での撮像が開始される(ステップ1303)。また、これと同時にコンピュータ22から制御部35に対して信号線Cを介して、蛍光輝度測定をしようとするスポット(プローブ705)の位置情報とディフォルトとしてデューティ50%で図16に示す領域32a中のミラー325をon・off制御する様に指示する(ステップ1304)。
【0117】
この状態で、CCDカメラ34が撮像を開始し、画像データが信号線Vを介してコンピュータ22に送られてくると、コンピュータ22の不図示のCPUは、内部の不図示のビデオメモリーに一枚分の画像データを蓄積する。
【0118】
ビデオメモリーに蓄積が終了すると、CPUは、予めデータとして持っている各スポット(プローブ705)の位置情報を基に、ビデオメモリー内部の蛍光輝度測定するスポット(プローブ705)に対応するアドレスの輝度情報を読み取る。
【0119】
そして、CCDカメラ34で取得した輝度情報と予め設定されている規定値とを比較する(ステップ1305)。ここで、CCDカメラ34で取得した蛍光輝度が既定値よりも小さい場合(ステップ1306)は、コンピュータ22は、信号線Cを介してミラー325群のon時間を大きくするようにデューティ変更の指示を送る(ステップ1307)。一方、CCDカメラ34で取得した蛍光輝度が既定値よりも大きい場合(ステップ1308)は、コンピュータ22は、信号線Cを介してミラー325群のon時間を小さくするようにデューティ変更の指示を送る(ステップ1309)。
【0120】
このような動作を繰り返し、CCDカメラ34で取得したスポット(プローブ705)の蛍光輝度が規定値に達すると(ステップ1310)、コンピュータ22は、信号Fを介してデューティを蛍光輝度情報に変換して不図示のモニター上に表示する(ステップ1311)。
【0121】
この場合、例えば、信号Fがデューティ90%を表す3864と言う数値データであったとすると、スポット自体の蛍光量が非常に少なく、コンピュータ22モニター上には4096の10%である410が表示される。また、信号Fがデューティ10%を表す410と言う数値データであったとすると、スポット自体の蛍光量が非常に多く、コンピュータ22のモニター上には4096の90%である3864が表示される。
【0122】
その後、同一テストサイト702中の蛍光測定したい他のスポット(プローブ705)についても、DMD32の対応する他の領域(アドレス)の複数のミラー325をon状態にするとともに、on・offするためのデューティーを設定することで、上述の蛍光輝度測定の動作が繰り返し実行される。そして、全てのスポット(プローブ705)の蛍光輝度測定を終了すると(ステップ1312)、さらに他のテストサイト702についても、同様にして蛍光輝度測定を繰り返し行なう。この場合、他のテストサイト702に対する蛍光輝度測定は、Xモータ10を駆動して、次のテストサイト702に対する蛍光輝度測定ができる位置にステージ8を移動させるようにする。
【0123】
そして、全てのテストサイト702についても蛍光輝度測定を終了したことが判断されると処理を終了する(ステップ1313)。
【0124】
従って、このようにすれば、スポット(プローブ705)からの蛍光に応じてCCDカメラ34で取得した輝度情報と、予め設定された基準値と比較結果から光路中に配置されるDMD32のミラー325のon・offのデューティを変化させてCCDカメラ34の輝度情報を常に一定に制御し、このときのDMD32のデューティ情報に基づいてCCDカメラ34の輝度情報の補正を行なうようにしている。これにより、CCDカメラ34のは、ダイナミックレンジに影響されることなく広範囲に亘って、常に最適な状態で、信頼性の高い正確な蛍光測定を行なうことができる。また、特に、CCDカメラ34については、S/Nが最も良い領域にゲインやシャッター速度を固定して撮影できるようになるので、さらに安定した状態で、精度の高い蛍光輝度測定を実現できる。さらに、CCDカメラ34は、マイクロアレイチップ7のテストサイト702単位で、全てのスポット(プローブ705)に対応させて撮像できるので、各スポット(プローブ705)の蛍光測定をするためにステージ8を移動させるような動作を省略でき、ステージ操作を簡略化でき、その分制御が簡単になるとともに、全体構成も簡単化できる。
【0125】
なお、上述した実施の形態では、CCDカメラ34を用いたが、CCDカメラにこだわることなく、第1の実施の形態で用いたフォトマルチプライヤー(PMT)を用いることもできる。
【0126】
また、上述した実施の形態では、ハイブリタイズ後にデータを取得する動作を中心に説明したが、ハイブリタイズの途中経過のデータを取得するようにもできる。この場合、ポンプ14の1回の動作に対して1回、所望のスポット(プローブ705)の蛍光輝度を解析する動作を実行するようにコンピュータ22が制御部21、ポンプ14などを動作させることが可能である。
【0127】
さらに、上述した実施の形態では、DMD32のミラー325をマイクロアレイチップ7と共役な位置に配置することによって、スポット(プローブ705)の位置に対応した領域(アドレス)のミラー325についてPMW制御することで、所望のスポット(プローブ705)の蛍光輝度測定を行なう構成としたが、DMD32をさらに対物レンズ6の瞳と共役な位置に設置する事によって、開口絞りとして使用することができる。このようにすると、マイクロアレイチップ7と共役な位置に配置されたDMD32により輝度測定したいスポット(プローブ705)に対応する領域のミラー325をonし、対物レンズ6の瞳と共役な位置に設置したDMDのミラーで開口絞りのように円状または多角形状にミラーを選択してonさせれば、上述したと同様に蛍光輝度測定ができる。このようにすれば、ミラー325をPMW制御する必要がなくなるため、その駆動回路を省く事ができ、消費電力の低減に貢献する。
【0128】
さらにまた、上述した実施の形態では、スポット(プローブ705)に対応させてDMD32に割り当てた各領域のミラー325を順番にonさせて各スポット(プローブ705)に光を照射するようにしたが、各領域のミラー325を同時にonさせて各スポット(プローブ705)に光を同時照射し、この状態をCCDカメラ34で撮像するようにしてもよい。こうすれば、蛍光測定時間を飛躍的に短縮できる。
【0129】
さらにまた、上述した実施の形態では、核酸をプローブに用いハイブリタイゼーション反応を行なうマイクロアレイについて説明したが、核酸以外の生体関連物質をプローブに用いアレイ状に固相化して蛍光を検出するマイクロアレイにも適用できる。例えば、プローブとして種々のタンパク質や抗原、抗体などが挙げられる。
【0130】
さらにまた、上述した実施の形態では、DMDを用いたが、これに代えて液晶フィルタを用いることもできる。
【0131】
その他、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、実施段階では、その要旨を変更しない範囲で種々変形することが可能である。
【0132】
さらに、上記実施の形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示されている複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出できる。例えば、実施の形態に示されている全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題を解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出できる。
【0133】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、常に最適な状態で、信頼性の高い正確な光測定を行なうことができる光測定装置および方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態が適用される光測定装置の概略構成を示す図。
【図2】第1の実施の形態に用いられるマイクロアレイチップの概略構成を示す図。
【図3】第1の実施の形態に用いられるNDフィルタを説明する図。
【図4】第1の実施の形態に用いられる制御部の概略構成を示す図。
【図5】第1の実施の形態の動作を説明するためのフローチャート。
【図6】第1の実施の形態の動作を説明するためのタイムチャート。
【図7】本発明の第2の実施の形態が適用される光測定装置の概略構成を示す図。
【図8】第2の実施の形態に用いられるDMDの概略構成を示す図。
【図9】第2の実施の形態に用いられるDMDのon・off状態を示す図。
【図10】第2の実施の形態に用いられるDMDのon・off状態とミラーで反射される光の向きの関係を説明する図。
【図11】第2の実施の形態に用いられるDMDのon・off動作による光量調整を説明する図。
【図12】第2の実施の形態に用いられるDMDのon時間長により光量を調整できることを説明する図。
【図13】第2の実施の形態の動作を説明するためのフローチャート。
【図14】第2の実施の形態の動作においてテストサイト内の反応溶液の状態を説明する図。
【図15】第2の実施の形態に用いられる制御部の概略構成を示す図。
【図16】第2の実施の形態の動作においてスポット(プローブ)に光を照射するDMDのミラー群の関係を説明する図。
【図17】従来のマイクロアレイチップの読取り装置の概略構成を示す図。
【符号の説明】
1…光源、2…コレクタレンズ、3…リレーレンズ
4…励起フィルタ、5…偏向ビームスプリッター
6…対物レンズ、7…マイクロアレイチップ
701…マイクロアレイチップ本体、701a…突出部
702…テストサイト、703…吸排出穴、704…アルミナ基板
705…プローブ、8…ステージ、9…コントローラ
10…Xモータ、11…Yモータ、12…結像レンズ
13…フォトマルチプライヤー、14…ポンプ
15…テフロンチューブ、16…電源ユニット
17…NDフィルタ、18…ステッピングモーター
181、182…回転軸、19…位置検出用センサ板
191…スリット、20…フォトインタラプタ
21…制御部、211…電流−電圧変換回路、212…A/Dコンバーター
213…コントロール部、214…クロック源
215…モータードライバー、22…コンピュータ、31…反射ミラー
32…DMD、32a…領域、321…CMOS基板
322…ランディングチップ、323…ヨーク、324…ヒンジ
325…ミラー、33…ダイクロイックミラー
34…CCDカメラ、35…制御部、351…ミラーアドレスジェネレーター
352…DMDドライバ、352a…フレームメモリー、353…クロック[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is used for testing biologically related substances such as genes, for example, reading a microarray chip used for DNA analysis, epidemiological analysis, and the like, and specifically, a light measuring device and method for measuring fluorescence from the microarray chip. It is about.
[0002]
[Prior art]
In recent years, the development of technology in the field of genetic engineering has been remarkable, and, for example, research has been advanced to decode the base sequence of the human genome, which is considered to reach 100,000.
[0003]
On the other hand, microarray technology has been used for studies such as enzyme immunoassays and fluorescent antibody methods which are used for various diagnoses and utilize antigen-antibody reactions, and for searching for DNA that affects various genetic diseases.
[0004]
The microarray technology is a technology that uses, for example, a microarray chip in which cDNA or oligo DNA is spotted in a matrix at high density (interval of several hundred μm or less) as a probe on a Si wafer, a slide glass, or a membrane filter.
[0005]
Such a microarray technique is, for example, using a pipette to remove DNA extracted from cells of healthy subjects labeled with a fluorescent dye or DNA extracted from cells of a sample having a genetic disease labeled with a fluorescent dye using a pipette. Of each probe. Then, the DNA of each specimen and the probe are hybridized, and in this state, each probe is irradiated with excitation light for exciting each fluorescent dye, and the fluorescence emitted from the probe is detected by a photodetector. Thereafter, from the results of the fluorescence detection on the microarray chip, the DNA of each sample was determined to be hybridized with which probe, and by comparing the hybridized DNA, the DNA expressed or deficient due to the disease was determined. It is designed to identify DNA.
[0006]
By the way, as a technique for detecting fluorescence emitted from each probe of a microarray chip used in the microarray technique, for example, a technique disclosed in
[0007]
FIG. 17 shows a schematic configuration of a microarray chip reader disclosed in
[0008]
In such a configuration, first, the
[0009]
Each of the
[0010]
[0011]
[Patent Document 1]
JP 2000-131237 A
[0012]
[Patent Document 2]
U.S. Pat. No. 6,406,849
[0013]
[Patent Document 3]
JP-A-8-334709
[0014]
[Patent Document 4]
JP-A-5-183851
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
The apparatus disclosed in
[0016]
By the way, the light receiving element such as the
[0017]
However, the hybridization between the probe cDNA on the
[0018]
Therefore, when the
[0019]
Therefore, it is conceivable to obtain an output signal while changing the drive voltage of the
[0020]
The
[0021]
Further, instead of the
[0022]
However, since the dynamic range of such a CCD camera is determined, if the dynamic range is narrow, spots with a weak amount of fluorescent light on the imaging screen are completely dark and cannot be seen, so that data as bright spots cannot be taken out. A spot having a large amount of fluorescent light is in a white state and the output overflows, so that a correct amount of fluorescent light cannot be measured. That is, it is possible to cope only with a change in the amount of fluorescence in a narrow range according to the dynamic range.
[0023]
In order to solve such a problem, it is conceivable that the CCD camera changes the gain and the exposure time to shoot an image, and then processes the image data to measure the fluorescence amounts of all spots. However, it is difficult for the CCD camera to correctly measure the amount of fluorescence between spots (probes 103) because dark noise is applied and S / N changes depending on the exposure time and gain.
[0024]
On the other hand,
[0025]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a light measuring device and a method capable of performing highly reliable and accurate light measurement in an always optimum state.
[0026]
[Means for Solving the Problems]
The invention according to
[0027]
According to a third aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the light amount adjusting means includes a plurality of minute deflecting elements which are arranged at optically conjugate positions with the sample and which can selectively control deflection. It is characterized by comprising an optical deflecting element array in which the amount of light emitted from the light source to the sample can be adjusted according to the deflection control of these minute deflecting elements.
[0028]
According to a fourth aspect of the present invention, in the third aspect of the present invention, the sample comprises a microarray chip for detecting a reaction between a sample in the reaction solution and a probe, and further includes a movement for moving the reaction solution in the test site. Means for adjusting the amount of light applied to the sample by the light deflection element array in synchronization with the movement of the reaction solution by the movement means.
[0029]
The invention according to claim 5 irradiates a sample with light from a light source, detects the intensity of light from the sample with a light detection unit, and adjusts the amount of light irradiated on the sample from the light source with a light amount adjustment unit. Adjustable and controls the amount of light applied to the sample by the light amount adjusting means so that the intensity of light detected by the light detecting means becomes a preset specified value. The detection result of the light detection unit is corrected based on light amount adjustment information by the light amount adjustment unit when the intensity of light detected by the light detection unit matches the specified value.
[0030]
As a result, according to the present invention, the light detecting means can always perform highly reliable fluorescence measurement in an optimal state over a wide range without being affected by the dynamic range.
[0031]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0032]
(First Embodiment)
FIG. 1 shows a schematic configuration of a light measuring device to which the present invention is applied. In the figure,
[0033]
A
[0034]
The
[0035]
For example, FIGS. 2A and 2B show a schematic configuration of a
[0036]
In FIG. 2A,
[0037]
At the bottom of the test site 702 (a hole is formed at the bottom), a
[0038]
In this case, in order to increase the hybridization speed between the probe and the reaction solution dropped on the
[0039]
Returning to FIG. 1, a photomultiplier (PMT) 13 as a light detecting unit is disposed on a transmission optical path of the deflection beam splitter 5 via an
[0040]
A
[0041]
In the optical path between the
[0042]
In this embodiment, a
[0043]
A stepping
[0044]
The stepping
[0045]
The position detecting
[0046]
A
[0047]
The
[0048]
A computer (PC) 22 is connected to the
[0049]
FIG. 4 shows a schematic configuration of the
[0050]
The
[0051]
Further, the
[0052]
Further, the
[0053]
Further, upon receiving a signal R indicating that the
[0054]
The
[0055]
Next, the operation of the first embodiment configured as described above will be described.
[0056]
Here, the description of the principle of the hybridizing operation, which is not directly related to the present embodiment, is omitted.
[0057]
In this case, when the hybridization operation ends, the flowchart shown in FIG. 5 is executed.
[0058]
First, the
[0059]
If the
[0060]
In the present embodiment, the origin position of the
[0061]
Next, the
[0062]
If it is confirmed in
[0063]
Then, in the spot (probe 705), when the fluorescent dye of the labeled sample is excited and emits fluorescence, the fluorescence passes through the
[0064]
The
[0065]
Upon receiving the sampling start instruction, the
[0066]
The
[0067]
Here, when the data of the A /
[0068]
The drive signals (M1 to M6) are current-amplified by the
[0069]
On the other hand, when the data of the A /
[0070]
The drive signals (M1 to M6) are current-amplified by the
[0071]
Accordingly, if the output of the
[0072]
If the output of the
[0073]
Thereby, when the output of the
[0074]
These fluorescent luminances are output to the
[0075]
Thereafter, for the other spots (probes 705) in the
[0076]
Then, when it is determined in
[0077]
Therefore, according to this configuration, the light transmittance of the
[0078]
Further, such a concept can be applied not only to the influence of the dynamic range of the detector such as the
[0079]
In the above-described embodiment, the
[0080]
Further, in the above-described embodiment, an operation of acquiring data after hybridization has been mainly described. However, data in the middle of hybridization may be acquired. In this case, the
[0081]
Further, in the above-described embodiment, the
[0082]
Furthermore, in the above-described embodiment, the
[0083]
(Second embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
[0084]
FIG. 7 shows a schematic configuration of the second embodiment, and the same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals.
[0085]
In this case, a
[0086]
A
[0087]
A microarray chip 7 (see FIG. 2 for details) is disposed on the reflected light path of the
[0088]
The
[0089]
In this embodiment, the gain, shutter speed, and the like of the
[0090]
FIG. 8 shows a schematic configuration of the
[0091]
The
[0092]
Such a
[0093]
9A and 9B show an actual operation state of the
[0094]
FIG. 10 shows the on / off state of the
[0095]
FIG. 11 shows the light amount adjustment by the on / off operation of the
[0096]
In summary, when the on-time of the
[0097]
Note that details of the driving method of the
[0098]
Returning to FIG. 7, the
[0099]
A
[0100]
Next, the operation of the first embodiment configured as described above will be described.
[0101]
In this case, when the hybridization operation ends, the flowchart shown in FIG. 13 is executed.
[0102]
First, the user designates a desired
[0103]
First, the
[0104]
Next, the
[0105]
The
[0106]
In this state, the
[0107]
Since this state is most suitable for fluorescence luminance measurement, the
[0108]
With the
[0109]
In this case, the illumination light emitted from the
[0110]
Then, when the fluorescent dye of the labeled sample is excited at the spot (probe 705) and emits fluorescence, the fluorescence passes through the
[0111]
In this case, the PWM control of the
[0112]
FIG. 15 shows the configuration of the
[0113]
In this case, the relationship between the spot (probe 705) whose fluorescence luminance is measured and the plurality of
[0114]
Similarly, the
[0115]
The
[0116]
In this state, when an imaging instruction command is transmitted from the
[0117]
In this state, when the
[0118]
When the storage in the video memory is completed, the CPU determines the luminance information of the address corresponding to the spot (probe 705) for measuring the fluorescent luminance in the video memory based on the positional information of each spot (probe 705) which is stored in advance as data. Read.
[0119]
Then, the brightness information acquired by the
[0120]
When the fluorescent brightness of the spot (probe 705) obtained by the
[0121]
In this case, for example, if the signal F is numerical data of 3864 representing a duty of 90%, the amount of fluorescence of the spot itself is very small, and 410 which is 10% of 4096 is displayed on the
[0122]
Thereafter, for other spots (probes 705) in the
[0123]
Then, when it is determined that the fluorescence luminance measurement has been completed for all the
[0124]
Therefore, according to this, the brightness information acquired by the
[0125]
Although the
[0126]
Further, in the above-described embodiment, an operation of acquiring data after hybridization has been mainly described. However, data in the middle of hybridization may be acquired. In this case, the
[0127]
Further, in the above-described embodiment, the
[0128]
Furthermore, in the above-described embodiment, the
[0129]
Furthermore, in the above-described embodiment, a microarray that performs a hybridization reaction using a nucleic acid as a probe has been described. However, a microarray that detects fluorescence by immobilizing an array of biologically related substances other than nucleic acid as a probe is described. Is also applicable. For example, examples of the probe include various proteins, antigens, antibodies, and the like.
[0130]
Furthermore, although the DMD is used in the above-described embodiment, a liquid crystal filter may be used instead.
[0131]
In addition, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be variously modified in an implementation stage without departing from the spirit of the invention.
[0132]
Further, the embodiments include inventions at various stages, and various inventions can be extracted by appropriately combining a plurality of disclosed constituent features. For example, even if some components are deleted from all the components shown in the embodiments, the problem described in the column of the problem to be solved by the invention can be solved, and the problem described in the column of the effect of the invention can be solved. In the case where the effect described above is obtained, a configuration from which this configuration requirement is deleted can be extracted as an invention.
[0133]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a light measuring device and a method capable of performing highly reliable and accurate light measurement in an always optimum state.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an optical measurement device to which a first embodiment of the present invention is applied.
FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of a microarray chip used in the first embodiment.
FIG. 3 is a diagram illustrating an ND filter used in the first embodiment.
FIG. 4 is a diagram showing a schematic configuration of a control unit used in the first embodiment.
FIG. 5 is a flowchart for explaining the operation of the first embodiment.
FIG. 6 is a time chart for explaining the operation of the first embodiment.
FIG. 7 is a diagram showing a schematic configuration of an optical measurement device to which a second embodiment of the present invention is applied.
FIG. 8 is a diagram showing a schematic configuration of a DMD used in the second embodiment.
FIG. 9 is a diagram showing an on / off state of a DMD used in the second embodiment.
FIG. 10 is a view for explaining the relationship between the on / off state of a DMD used in the second embodiment and the direction of light reflected by a mirror.
FIG. 11 is a view for explaining light amount adjustment by an on / off operation of a DMD used in the second embodiment.
FIG. 12 is a view for explaining that the amount of light can be adjusted by the on-time length of the DMD used in the second embodiment.
FIG. 13 is a flowchart for explaining the operation of the second embodiment.
FIG. 14 is a diagram illustrating a state of a reaction solution in a test site in the operation of the second embodiment.
FIG. 15 is a diagram showing a schematic configuration of a control unit used in the second embodiment.
FIG. 16 is a diagram for explaining the relationship between DMD mirror groups that irradiate light to a spot (probe) in the operation of the second embodiment.
FIG. 17 is a diagram showing a schematic configuration of a conventional microarray chip reader.
[Explanation of symbols]
1: light source, 2: collector lens, 3: relay lens
4: Excitation filter, 5: Deflection beam splitter
6
701: Microarray chip body, 701a: Projecting portion
702: test site, 703: suction and discharge holes, 704: alumina substrate
705: Probe, 8: Stage, 9: Controller
10 X motor, 11 Y motor, 12 imaging lens
13 Photomultiplier, 14 Pump
15: Teflon tube, 16: Power supply unit
17 ... ND filter, 18 ... Stepping motor
181, 182: rotation axis, 19: sensor plate for position detection
191 ... Slit, 20 ... Photo interrupter
21: control unit, 211: current-voltage conversion circuit, 212: A / D converter
213: control unit, 214: clock source
215: motor driver, 22: computer, 31: reflection mirror
32: DMD, 32a: area, 321: CMOS substrate
322: landing tip, 323: yoke, 324: hinge
325: mirror, 33: dichroic mirror
34 ... CCD camera, 35 ... Control unit, 351 ... Mirror address generator
352: DMD driver, 352a: Frame memory, 353: Clock
Claims (5)
前記光源からの光が照射される試料と、
前記試料からの光の強度を検出する光検出手段と、
前記光源と試料との間の光路に配置され前記光源より前記試料に照射される光の量を調整可能にした光量調整手段と、
前記光検出手段により検出される光の強度が予め設定された規定値になるように前記光量調整手段による前記試料に照射される光の量を制御する制御手段と、前記制御手段の制御により前記光検出手段により検出される光の強度が前記規定値に一致したときの前記光量調整手段による光量調整情報に基づいて前記光検出手段の検出結果を補正する出力補正手段と
を具備したことを特徴とする光測定装置。A light source,
A sample irradiated with light from the light source,
Light detection means for detecting the intensity of light from the sample,
Light amount adjusting means disposed in an optical path between the light source and the sample and capable of adjusting the amount of light emitted to the sample from the light source,
Control means for controlling the amount of light applied to the sample by the light amount adjustment means so that the intensity of light detected by the light detection means becomes a preset specified value; and Output correction means for correcting the detection result of the light detection means based on light amount adjustment information by the light amount adjustment means when the intensity of light detected by the light detection means matches the specified value. Light measuring device.
さらに前記テストサイト中の反応液を移動させる移動手段を有し、
前記光偏向素子アレイによる前記試料に照射される光の量の調整動作を前記移動手段による前記反応液の移動と同期させることを特徴とする請求項3記載の光測定装置。The sample is composed of a microarray chip that detects a reaction between a sample and a probe in a reaction solution,
Further, a moving means for moving the reaction solution in the test site,
4. The optical measurement device according to claim 3, wherein the operation of adjusting the amount of light applied to the sample by the light deflection element array is synchronized with the movement of the reaction solution by the movement unit.
前記試料からの光の強度を光検出手段で検出し、
前記光源より前記試料に照射される光の量を光量調整手段により調整可能とするとともに、前記光検出手段により検出される光の強度が予め設定された規定値になるように前記光量調整手段による前記試料に照射される光の量を制御し、
この制御により前記光検出手段より検出される光の強度が前記規定値に一致したときの前記光量調整手段による光量調整情報に基づいて前記光検出手段の検出結果を補正することを特徴とする光測定方法。Irradiate the sample with light from the light source,
The intensity of light from the sample is detected by light detection means,
The amount of light emitted from the light source to the sample can be adjusted by a light amount adjusting unit, and the light amount adjusting unit adjusts the intensity of the light detected by the light detecting unit to a predetermined value. Controlling the amount of light applied to the sample,
The control unit corrects a detection result of the light detection unit based on light amount adjustment information by the light amount adjustment unit when the intensity of light detected by the light detection unit matches the specified value. Measuring method.
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