JPH1194743A - 蛍光パターン読み取り装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 電気泳動を行った試料および蛍光色素で標識
したプローブを用いたブロッティング試料の蛍光パター
ンを高感度で読み取ることできる泳動パターン読み取り
装置を提供する。 【解決手段】 泳動パターンに展開したゲルを支持する
ガラス支持板と、泳動パターンの蛍光物質を励起させる
光源４１と、照射光をガラス支持板に垂直に照射して走
査する光照射機構と、照射光の光軸とは異なる方向に受
光面を設定して泳動パターンの蛍光をガラス支持板の散
乱光から分離して受光する受光部と、受光した蛍光を２
つの波長特性で分離する光学フィルタ部と、２つの波長
成分の蛍光のそれぞれの光電変換を行って電気信号を出
力する光電変換部と、増幅器と、蛍光の２つの波長成分
の電気信号の差分を取る演算部とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、蛍光パターン読み
取り装置に関し、特に、ゲルにより電気泳動を行った多
様な読み取り試料における蛍光パターンを蛍光強度の特
性、背景光の特性などに対して適切に読み取り感度を変
化させ、蛍光パターンを読み取ることができる蛍光パタ
ーン読み取り装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、遺伝病診断などを含む種々の遺
伝子構造解析、アミノ酸などの蛋白質の構造分析を行う
ために、放射性アイソトープ標識による電気泳動分析法
が用いられる。このような電気泳動分析法は、放射性同
位体で標識または置換された試料の断片に対してゲルを
用いて電気泳動を行い、電気泳動で展開された試料の断
片の分布パターンの解析を行うことにより、試料の分析
を行う方法である。

【０００３】電気泳動パターンを読み取り分析を行う場
合の一例として、遺伝病の診断を例として説明する。ヒ
トゲノムＤＮＡは、約３×１０⁹ の塩基対から成り立っ
ている。その塩基配列はヒト集団を通しておおよそ一定
であるが、細かくみると、個体間にばらつきが存在す
る。このようなＤＮＡ配列上のばらつきは、ＤＮＡの多
型と呼ばれている。ＤＮＡの多型は、遺伝子領域にも非
遺伝子領域にも見られるが、遺伝子領域の多型はその表
現形式である蛋白質の多型として現われる場合が多い。
血液型，組識適合性抗原などや、人種間における皮膚の
色，毛の色の相違など、ヒト集団にみられる色々な多様
性は、この多型に由来している。ＤＮＡの多型は、ヒト
が進化上で生物種として独立した時点から現在までに、
ヒト集団の生殖細胞ＤＮＡに生じた変異が集団の中に蓄
積したものであると考えられ、このような変異がヒトの
存在に取って重要な機能を持つ部位に生じ、その結果と
して生ずる表現型が、何らかの病的状態を示すものを
「遺伝病」と呼んでいる。ヒト集団には、3,000種を超
える遺伝病が存在するといわれている。

【０００４】遺伝病の病因はＤＮＡ上に生じた異変であ
るが、それが病気として認識されるまでには、ＤＮＡ→
ｍＲＮＡ→蛋白質→表現型（病気）の諸段階がある。病
気としての診断は、普通の場合、最後のレベルで行なわ
れるが、上記の各段階の流れが単純な線形関係にあれ
ば、診断を蛋白質やＤＮＡのレベルで行うことが可能と
なる。

【０００５】ＤＮＡ診断の基礎となる手法は、Southern
ブロッティングと呼ばれるものであり、この手法は、基
本的には以下のステップに分けられる。 （ステップ１）試料ＤＮＡの抽出、（ステップ２）ＤＮ
Ａの制限酵素による分解、（ステップ３）ゲル電気泳動
を用いたＤＮＡの分子量による分画、（ステップ４）分
画されたＤＮＡの薄膜フィルタへの移行、（ステップ
５）予じめ用意したプローブＤＮＡ（検出したい遺伝子
と相同配列を持つＤＮＡをアイソトープなどで標識した
もの）との混成体の形成（ハイブリダイゼーション）、
（ステップ６）オートラジオグラフィーによる混成体の
検出、以上の６ステップからなる手法である。ステップ
４の薄膜フィルタには、ナイロンメンブレンまたはニト
ロセルロースメンブレンなどが用いられる。

【０００６】遺伝病を対象とする場合には、試料となる
ＤＮＡの抽出のための臓器は問わない。通常は、数ミリ
リットルの末梢血から白血球を分離し、そこからＤＮＡ
を抽出する。ステップ１からステップ６までの各段階の
処理に通常５日程度の日数を必要とする。

【０００７】遺伝病診断では、上記のステップの処理に
基づき正常体の分画パターンと被検者の分画パターンを
得て、それらの分画パターンを比較する。同一パターン
である場合は正常と判定される。

【０００８】最近、安全性などの問題から放射性アイソ
トープに替えて、蛍光色素で標識したプローブを用い
て、その蛍光色素の蛍光物質を励起し、電気泳動パター
ンの読み取りを行う方法が試行されている。遺伝病診断
やＤＮＡの塩基配列決定などを行う場合、試料の量が１
０^-15 molオーダ前後であるため、放射性アイソトープ
なみの信号対雑音比を等価的に得るには、微弱な光を検
出する高度な光学技術と信号処理技術を必要とする。

【０００９】微少な試料を蛍光標識して検出する装置と
して、特開昭６１−６２８４３号公報に記載された蛍光
検出法による電気泳動装置がある。次に、このような蛍
光検出法による電気泳動装置について具体的に説明す
る。

【００１０】図１７は、従来の蛍光式電気泳動装置の外
観を示す斜視図である。図１７を参照すると、電気泳動
装置は、試料の電気泳動を行い、蛍光の分布を計測する
泳動計測装置５１と、計測データを基にデータ処理を行
うデータ処理装置５２と、それらを相互接続するケーブ
ル５３とから構成されている。泳動計測装置５１には扉
５１ａがあり、扉５１ａを開いて、電気泳動を行うベー
スとなるゲルの注入を行い、更に電気泳動を行う試料
（ＤＮＡ断片）を所定量だけ注入する。扉５１ａを閉じ
て、操作表示パネル５１ｂの泳動開始スイッチを押すと
電気泳動が開始される。電気泳動が開始されると、泳動
計測装置５１では、操作表示パネル５１ｂにあるモニタ
に動作状態が表示される。泳動計測装置５１により計測
されたデータは、データ処理装置５２に転送され、予め
プログラムされている所定のデータ処理が行われる。な
お、データ処理装置５２は、計算機本体５４と、利用者
からの指令などを入力するためのキーボード５５と、処
理状態や結果を表示するディスプレイ装置５６と、デー
タ処理の結果を記録するプリンタ５７とから構成されて
いる。

【００１１】図１８は、泳動計測装置の内部の構成を示
すブロック図である。泳動計測装置（５１；図１７）の
構成は、図１８に示すように、電気泳動装置部６３およ
び信号処理装置部６４から構成されており、これらの２
つの部分がまとめられて、泳動計測装置の全体の装置構
成となっている。電気泳動装置部６３は、電気泳動を行
う泳動部５と、泳動部５に電圧を印加するための第１の
電極２ａおよび第２の電極２ｂと、泳動部５および各電
極２ａ，２ｂを支えるための支持板３と、泳動部５に電
圧を印加するための電気泳動用電源装置４と、蛍光物質
を励起するための光を発光する光源１１と、光源１１か
らの光を導くための光ファイバ１２と、蛍光物質から発
生した蛍光１３を集光して受光する光学系の集光器１４
と、特定波長の光を選択的に通す光学フィルタ１５と、
受光した光を電気信号に変換するための光センサ１６と
から構成されている。また、信号処理装置部６４は、光
センサ１６からの電気信号を受けて増幅する増幅器１７
と、電気信号のアナログ信号をディジタルデータに変換
するアナログ・ディジタル変換回路１８と、ディジタル
変換したデータに対し 算平均処理等の前処理を行う信
号処理部１９と、前処理したデータを外部のデータ処理
装置へ送出するインターフェース処理を行うインタフェ
ース２０と、電気泳動装置部および信号処理系の全体を
制御するための制御回路１０とから構成されている。こ
の信号処理装置６４から出れるディジタル信ＵＴは、デ
ータ処理装置（５２；図１７）に送られ、解析処理など
のデータ処理が行われる。

【００１２】次に、このように構成された電気泳動装置
の動作を説明する。図１７および図１８を参照する。泳
動計測装置５１にある扉５１ａを開き、内部にある泳動
部５にゲルを注入し、更に蛍光物質で標識したＤＮＡ断
片の試料を注入する。操作パネル５１ｂのスイッチを操
作して、電気泳動開始を指示すると、電気泳動用電源装
置４からの電圧が電極２ａ，２ｂにより泳動部５に供給
されて電気泳動が開始される。電気泳動によって、蛍光
物質で標識された試料は、例えば、図２１に示すよう
に、各々の試料のレーン７１，７２，７３，７４におい
て電気泳動され、試料に含まれる分子の分子量毎に集ま
り、それぞれにバンド６６を作る。分子量の軽い分子ほ
ど泳動速度が速いため、同一時間内に泳動される距離は
大きい。これらのバンド６６の検出は、図１９（Ａ）に
示すように、光源からの光を光ファイバ１２に通して光
路６１上でゲルを照射することにより、ゲル中でバンド
６６に集まっている標識の蛍光物質に蛍光１３を発生さ
せ、蛍光１３を検出する。ここで発光する蛍光１３は、
蛍光物質の吸光係数，量子効率，励起光の強度などによ
るが、バンド当り、１０^-16 mol程度と非常に微量な量
しか蛍光物質が含まれていないため、非常に微弱な光と
なる。例えば、蛍光物質として、フルオレセインイソチ
オシアネート（Fluorescein Isothiocyanate）を使用し
た場合について説明すると、フルオレセインイソチオシ
アネートによる励起光の励起波長のピーク値が４９０nm
であり、蛍光波長のピーク値が５２０nmである。モル吸
光係数は、７×１０4 mol^-1・cm^-1であり、量子効率は
０．６５程度である。

【００１３】１バンド内に１０^-16 molの蛍光物質が存
在する場合、励起光に波長４８８nmの出力１mWのアルゴ
ンイオンレーザを使用した場合を想定して計算すると、
ゲルの厚みなどで異なるが、発生する蛍光の光量は、１
０¹⁹個／ｓオーダの蛍光の光子しか発生しない。したが
って、非常に微弱な蛍光を感度よく検出しなければなら
ない。

【００１４】泳動部５は、その正面図が図１９（Ａ）
に、その縦断面図が図１９（Ｂ）に示されるように、ポ
リアクリルアミドなどのゲル５ａと、該ゲル５ａを両側
から狭んで支えるためのガラスの支持板５ｂ，５ｃとか
ら構成されている。泳動部５のゲル５ａに上部から例え
ばＤＮＡ断片の試料を注入し、第１の電極２ａおよび第
２の電極２ｂ（図１８）に泳動電圧を印加して、電気泳
動を行いながら、光源から照射された光、例えばレーザ
光を、光ファイバ１２からゲル５ａ中の光路６１を通し
て、光路６１上の蛍光物質を照射する。これにより、光
路６１上に存在する蛍光物質が励起されて蛍光１３を発
する。蛍光１３はレンズの組合せで構成される光学系の
集光器１４に到達し、集光された後に光学フィルタ１５
で所望の蛍光波長が選択されて、一次元の光センサ１６
において電気信号に変換される。光センサ１６では、微
弱な光を効率よく電気信号に変換するため、イメージイ
ンテンシファイアなどを用いて、１０⁴〜１０⁵倍に光増
幅し、その画像をＣＣＤの一次元光センサなどで電気信
号に変換する。光センサ１６により得られた電気信号
は、増幅器１７により所望レベルの信号に増幅され、ア
ナログ・ディジタル変換回路１８によりアナログ信号か
らディジタル信号に変換されて、信号処理部１９へ送ら
れる。信号処理部１９では、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）
を向上させるために加算平均処理等の信号処理が行われ
る。このようにして信号処理されたディジタル信号のデ
ータは、インタフェース２０により、データ処理装置５
２に送出される。

【００１５】図２０（Ａ）および図２０（Ｂ）は、泳動
計測装置５１から送出されるＤＮＡ断片の蛍光強度パタ
ーン信号の例を説明する図である。例えば、図２０
（Ａ）に示されるように、電気泳動が行われた泳動部５
に対して光路６１上でレーザ光が照射されると、光路６
１上に存在するゲルの蛍光物質が励起されて、蛍光を発
するので、この蛍光を、レーン毎に所定の検出位置で電
気泳動方向６２の方向に時間の経過と共に検出する。こ
れにより、各レーンのバンド６６が光路６１上の位置を
通過する時に、蛍光が検出されることになり、１つのレ
ーンにおける蛍光強度のパターン信号が、図２０（Ｂ）
に示すように、検出される。このため、バンド６６が光
路６１上の位置を通過するときに、蛍光強度のピークが
得られる。したがって、図２０（Ｂ）に示す蛍光強度パ
ターン信号は、電気泳動方向６２の方向におけるバンド
６６の蛍光強度パターン信号となっている。すなわち、
この蛍光強度パターン信号は、蛍光濃度に比例したプロ
ファイル波形となっており、このピーク値を判定して、
例えば、ＤＮＡの各塩基配列を判定する処理を行う。

【００１６】データ処理装置５２では、計算機本体５４
により泳動計測装置５１から送出されるＤＮＡ断片の蛍
光強度パターン信号のデータを受けて、蛍光強度パター
ンのデータから分子量の比較やＤＮＡの塩基配列を決定
するデータ処理を行う。データ処理を行い決定された塩
基等の並びは、記号化して出力され、ディスプレイ装置
５６により画面表示され、またはプリンタ５７により印
刷出力される。

【００１７】以上の例では試料の標識法として蛍光色素
を用いる装置例を示したが、他の例として、同様に蛍光
色素で標識し、電気泳動を行った後に、電気泳動パター
ンによる蛍光パターンを読み取る装置が特開平１−１６
７６４９号公報に開示されている。この他の例の装置
は、前述したような電気泳動を行いながら同時に読み取
り部を通過する蛍光パターンの分布を読み取るタイプと
は異なり、電気泳動を終了してから泳動部全体の蛍光パ
ターンを読み取るタイプとなっている。このタイプで
は、蛍光色素で標識したプローブを用いてSouthernブロ
ッティング法を行った薄膜フィルタの読み取りもでき
る。薄膜フィルタは光学的屈折率が空気の屈折率よりも
薄膜フィルタの素材に近い液体に含侵された後、透明な
ガラス板に挾んで読み取りを行う。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述したよ
うに、蛍光検出法による電気泳動パターン読み取り方法
では、ポリアクリルアミドなどのゲルを両側から挾んで
支えるガラス支持板の間に空気の泡が入り混んだ場合、
ノイズの原因となり、Ｓ／Ｎが低下する。また、照射光
によるガラス支持板からの散乱光を避けるため、ガラス
支持板の間からゲルに直接に照射光を照射しているが、
ゲル自体の透明度があまり良くない場合において、ゲル
の照射口から遠い部分において、バックグラウンドノイ
ズのレベルが高くなり、Ｓ／Ｎが低下する。また、照射
光の照射方向がずれた場合にも、ゲルを通してガラス支
持板から散乱光が発生し、Ｓ／Ｎが低下する。

【００１９】薄膜フィルタの読み取りでは、薄膜フィル
タを光学的屈折率が空気の屈折率よりも薄膜フィルタの
素材に近い液体に含侵された時の液体の侵み込み度合の
ムラや、Southernブロッティングの過程で薄膜フィルタ
の表面に付着した物質や、ガラス支持板の間に入り込ん
だ空気の泡がノイズの原因となり、Ｓ／Ｎ比が低下す
る。また、含侵させる液体の光学的屈折率が薄膜フィル
タの光学的屈折率に一致していない場合には、薄膜フィ
ルタからの散乱光のため、蛍光の読み取りを行う場合
に、バックグラウンドノイズのレベルが高くなり、良好
なＳ／Ｎ比を得ることができないという問題点を有して
いる。

【００２０】本発明の目的は、ＤＮＡを蛍光色素で標識
した後、電気泳動を行った試料および蛍光色素で標識し
たプローブを用いたブロッティング試料の蛍光パターン
をバックグラウンドノイズの影響なしに高感度で読み取
ることできる泳動パターン読み取り装置を提供すること
にある。

【００２１】本発明の別の目的は、電気泳動を行った多
様な読み取り試料における蛍光パターンを蛍光強度の特
性、背景光の特性などに対して適切に読み取り感度を変
化させ、蛍光パターンを読み取ることができる蛍光パタ
ーン読み取り装置を提供することにある。

【００２２】

【課題を解決するための手段】上記のような目的を達成
するため、本発明の泳動パターン読み取り装置において
は、蛍光物質を標識した試料を泳動パターンに展開した
ゲルを支持するガラス支持板と、ゲル中の泳動パターン
の蛍光物質を励起させる照射光を発光する光源と、前記
ゲルの面に対して前記光源からの照射光を前記ガラス支
持板に垂直に照射して走査する光照射機構と、照射光の
光軸とは異なる方向に受光面を設定して泳動パターンの
蛍光をガラス支持板の散乱光から分離して受光する受光
部と、受光部で受光した蛍光を２つの波長特性で分離す
る光学フィルタ部と、光学フィルタ部で分離した２つの
波長成分の蛍光のそれぞれの光電変換を行って電気信号
を出力する光電変換部と、光電変換部からの電気信号を
増幅し泳動パターンの蛍光の電気信号を出力する増幅器
と、蛍光の２つの波長成分の電気信号の差分を取る演算
部とを備えることを特徴とする。

【００２３】また、本発明の蛍光パターン読み取り装置
においては、光照射機構は、ゲル面に対する走査ライン
に沿った間隙を有するスリットと、前記スリットの間隙
に照射光を反射させて入射させる平板状ミラーと、前記
平板状ミラーの反射角を制御する制御機構とを備え、前
記スリットおよび前記平板状ミラーの反射角の制御によ
り光源からの照射光をゲル面を形成するガラス支持板に
対して垂直に照射することを特徴する。

【００２４】このような特徴を有する本発明の蛍光パタ
ーン読み取り装置では、ガラス支持板が、蛍光物質を標
識した試料を泳動パターンに展開したゲルを支持してお
り、このガラス支持板を通して、ゲルの中の泳動パター
ンの蛍光物質を励起させるため、光源からの照射光を照
射する。その場合、光照射機構が、前記ゲルの面に対し
て前記光源からの照射光を前記ガラス支持板に垂直に照
射して走査する。このため、照射光によるガラス支持板
からの散乱光は極めて少なくなる。受光部は、光照射機
構による照射光の光軸とは異なる方向に受光面を設定し
て泳動パターンの蛍光をガラス支持板の散乱光から分離
して受光する。そして、受光部で受光した蛍光を、光学
フィルタ部によって、２つの波長特性で分離し、光電変
換部が、光学フィルタ部で分離した２つの波長成分の蛍
光のそれぞれの光電変換を行って電気信号を出力する。
次に、増幅器が、光電変換部からの電気信号を増幅し泳
動パターンから蛍光の電気信号を出力すると、演算部
が、蛍光の２つの波長成分の電気信号の差分を取る。

【００２５】このようにして、試料に電気泳動を行い、
展開した泳動パターンに対して、試料を標識している蛍
光物質を励起して蛍光を発光させ、発光した蛍光パター
ンを２種類の波長特性で読み取る。この２種類の波長特
性の１つの波長特性で発光する蛍光パターンを読み取
り、同時に、他の波長特性でノイズ成分の読み取りを行
う。このノイズ成分を読み取る波長特性は、好ましく
は、蛍光波長の波長特性よりも励起波長側に近い波長特
性で読み取るのが良い。そして、２つの波長特性で読み
取った蛍光パターンデータを得た後に、線形演算法によ
り２種類の蛍光パターンデータ間の差分演算を行う。こ
れにより、読み取りの際のノイズをキャンセルした蛍光
パターンデータを得ることができる。

【００２６】これにより、泳動パターンの蛍光物質が発
光する蛍光成分と、ノイズ成分との差分がとられて、蛍
光パターンの読み取り出力が得られるので、ノイズ成分
をキャンセルすることができる。つまり、電気泳動を行
ったポリアクリルアミドなどのゲルを両側から挾んで支
えるガラス支持板の間に入り込んだ空気の泡や、蛍光標
識したプローブでのブロッティングを行った薄膜フィル
タに含侵させる液体の侵み込みムラや、薄膜フィルタ表
面に付着した物質や、ガラス支持板の間に入り込んだ空
気の泡によるノイズをキャンセルすることができる。ま
た、光照射機構によって、照射光は、ゲルの面を形成す
るガラス支持板に対して垂直に照射するようにしてゲル
の面を走査するので、ガラス支持板からの散乱光が非常
に少なくなり、バックグラウンドノイズ成分の信号を低
減できる。このため、蛍光パターンの読み取りにおい
て、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施する場合の形
態について、実施例を図面を用いて具体的に説明する。
図１は本発明の一実施例にかかる蛍光パターン読み取り
装置の全体構成を説明する概略図である。図１におい
て、１は電気泳動ユニット、２ａは電気泳動のための第
１電極、２ｂは電気泳動のための第２電極、３は電気泳
動用の電極の支持板、４は電気泳動用電源装置、５は泳
動部ユニット、６は読み取りユニット、７は計測部本
体、８はデータ処理装置、９はイメージプリンタであ
る。

【００２８】図１に示すように、蛍光パターン読み取り
装置は、電気泳動ユニット１と読み取りユニット６とが
分離されて、全体の装置を構成している。電気泳動ユニ
ット１は、電気泳動を行うベースとなるゲルと該ゲルを
ガラス板などで挟み込んで支持するゲル支持体とからな
る泳動部ユニット５と、泳動部ユニット５が装着されて
当該泳動部ユニット（以下では泳動部と略称する）に電
気泳動電圧を加える第１電極２ａおよび第２電極２ｂ
と、第１電極２ａおよび第２電極２ｂを支えると共に泳
動部５を支える支持板３と、電気泳動電圧を供給する電
気泳動用電源装置４から構成される。泳動部５は、前述
したように、電気泳動を行う試料を展開するベースとな
るポリアクリルアミドなどのゲルと、当該ゲルを両側か
ら挟んで支持するガラス板のゲル支持体（ガラス支持
板）とから構成される（前述した図２０（Ａ）および図
２０（Ｂ）参照）。

【００２９】電気泳動ユニット１には、泳動部５が装着
され、泳動部５のゲルの上部から電気泳動するＤＮＡフ
ラグメントなどに断片化した試料が供給され、電気泳動
用電源装置４から第１電極２ａおよび第２電極２ｂに泳
動電圧が印加されて、電気泳動が行われる。電気泳動ユ
ニット１で電気泳動を行った後の泳動部５は、電気泳動
ユニット１から取り外し、次に、読み取りユニット６に
装着し、電気泳動パターンの読み取りを行う。

【００３０】読み取りユニット６には、電気泳動ユニッ
ト１で電気泳動を行った泳動部５をそのままの状態で、
つまり、ゲルとその支持体のガラス支持板を共に装着
し、または泳動部５からゲルを取り出したゲルの状態
で、計測部本体７のガラス板の読み取り試料載置台の上
に置き、泳動パターンを読み取り、読み取った泳動パタ
ーンに対するデータ処理を行う。このため、読み取りユ
ニット６は、図１に示すように、計測部本体７を主要部
とし、データ処理装置８およびイメージプリンタ９等が
付加されて構成される。データ処理装置８およびイメー
ジプリンタ９は、計測部本体７で読み取った電気泳動パ
ターンのイメージデータに対して、データ処理，イメー
ジ処理，判定処理などを行い、読み取った電気泳動パタ
ーンデータを加工して出力する。計測部本体７には、電
気泳動ユニット１において既に電気泳動を行った泳動部
（ゲルおよびガラス支持板からなる泳動部ユニット）５
を装着して読み取る読取り台が、本体上部の蓋７ａの直
下に設けられている。

【００３１】電気泳動ユニット１から取り外した泳動部
５は、計測部本体７において、計測部本体上部の蓋７ａ
を開けて読み取り台に装着される。読取り台に泳動部５
の読み取り対象のゲルを装着した後、蓋７ａを閉じて、
計測部本体７の操作表示パネル７ｂの読み取り開始スイ
ッチを押下すると、計測部本体７が泳動部５のゲルの電
気泳動パターンの読み取りを開始する。電気泳動パター
ンの読み取りが開始されると、計測部本体７に内蔵する
点光源からの照射光の走査が開始され、装着した泳動部
５のゲルに励起光を照射し、蛍光物質を励起させ、これ
により発光した蛍光を受光して、蛍光物質の分布のパタ
ーンを計測する。データ処理装置８は計測部本体７で計
測した読み取りデータを基にしてデータ処理を行い、ま
た、計測部本体７の制御を行う。データ処理されたデー
タは、イメージプリンタ９により出力されて可視化され
る。このイメージプリンタでは、各試料に対して泳動パ
ターンを区別して、それぞれの泳動パターンを印刷す
る。

【００３２】図２は、計測部本体の主要部の構成を示す
ブロック図である。図３は、光照射機構および受光部の
構成を説明する斜視図であり、図４は、同じく光照射機
構および受光部の構成を説明する部分断面図である。ま
た、図５は、計測部本体に装着する泳動部の装着位置を
説明する図である。これらの図２〜図５を参照して、計
測部本体について説明する。

【００３３】蛍光パターン読み取り装置を用いて、試料
の電気泳動分析を行う場合、前述したように、まず、電
気泳動ユニット１を用いて、蛍光色素（蛍光物質）によ
り標識した試料（ＤＮＡフラグメント）の電気泳動を行
う。約５時間位の所定時間の電気泳動の終了後、泳動部
５を電気泳動ユニット１から取り外す。取り外した泳動
部５のゲルは、そのままの泳動部５の状態で、あるいは
ゲル支持体のガラス支持板を外した状態で、図５に示す
ように、読み取りユニット６の計測部本体７の上部の蓋
７ａを開き、内部の読み取り台７ｃの上部に載置する。
そして、蓋７ａを閉じて、読み取りユニットへのセット
が完了する。なお、このとき、電気泳動を行ったゲルが
蛍光色素で標識されていない試料の場合には、この段階
において、試料に対して、エチジウムブロマイド・モノ
マー，またはエチジウムブロマイド・ダイマーなどの蛍
光色素をつける染色処理を施す。また、このとき、ゲル
の乾燥等の処理も行うことも可能である。

【００３４】次に、電気泳動パターンの読み取り開始を
指示する操作を行う。読み取り開始の操作は、操作表示
パネル７ｂの読み取り開始スイッチの押圧操作の開始指
示により、またはデータ処理装置８からの読み取り開始
指示により行う。データ処理装置８によって読み取り動
作を開始する場合には、計測部本体７における泳動部ユ
ニットの装着状態が制御信号線を通してデータ処理装置
８の側に送られ、その状態を確認してデータ処理装置８
が計測部本体７の読み取りユニット部の動作を制御して
行う。この場合には、動作時の読み取り速度などのパラ
メータ設定を予めデータ処理装置８の側に登録しておく
ことにより、読み取り開始の操作が自動的に行われるの
で、操作者のスイッチ操作負担が軽減される。

【００３５】読み取られた蛍光色素の分布データは、デ
ータ処理装置８に送られる。データ処理装置８では、蛍
光強度のピーク検出処理，泳動距離を求める処理など予
めプログラムされている所定の処理を行う。データ処理
した結果のデータは、必要に応じてイメージプリンタ９
により、蛍光強度を濃淡画像で印刷出力し、または蛍光
強度を等高線形式または色や濃度で区分けした画像とし
て印刷出力する。蛍光強度に応じた濃淡画像で印刷出力
した画像は、従来から用いられている放射性物質で標識
して電気泳動を行った放射性Ｘフィルム像と同様な画像
となる。また、必要に応じて、データ処理を行った結果
データは、磁気的または光学的記録装置にディジタルデ
ータとして記憶される。

【００３６】図２に示すように、計測部本体において、
光源４１から発光された照射光となるレーザビーム３１
は、振動ミラー４２に照射される。振動ミラー４２は、
ミラードライバ３０によって駆動されるステッピングモ
ータ４３に固定されており、振動ミラー４２の回転振動
により、光源からの照射光を、図の表裏方向にスキャン
し、平板状ミラー４４に対しその中心線を走査ラインと
して照射する。

【００３７】平板状ミラー４４は、アクチュエータ４５
に固定されており、アクチュエータ４５の駆動制御によ
って、その反射角が制御される。平板状ミラー４４の中
心線上を走査ラインとして走査された照射光は、平板状
ミラー４４による制御された反射角で反射され、スリッ
ト４６の間隙を通るようになり、泳動部５のゲルの面の
走査ラインに沿って照射される。スリット４６の間隙
は、泳動部５のゲル面の走査ラインに沿って、泳動部５
のゲルを支持するガラス支持板に対して垂直になるよう
に設けられている。この平板状ミラー４４およびスリッ
ト４６により、泳動部５のガラス支持板に対して照射光
が垂直に入射するように、走査ラインに沿って照射され
る。

【００３８】このようにして、読み取り対象の泳動部５
のゲルに照射光が走査されて照射される。振動ミラー４
２によりスキャンされ、平板状ミラー４４により反射さ
れ、スリット４６の間隙を通過したレーザビーム３１の
スポット光は、走査され移動しながら、泳動部５のゲル
を厚み方向に照射される。これにより、スキャンされた
レーザビーム３１のスポット光が照射された泳動部５の
ゲルからは、蛍光１３が発する。この場合、レーザビー
ム３１の照射光は、泳動部５のゲルのガラス支持板に対
して垂直に照射されるようになっており、ゲルの照射面
およびガラス支持板の照射面からの散乱光は、非常に少
なくなっている。

【００３９】ゲルから発した蛍光は、集光器２３を通し
て受光される。集光器２３は、詳細は後述するが、蛍光
１３を受光するため受光経路の光軸が、泳動部５のゲル
のガラス支持板に対して垂直に照射されるスポット光の
光軸とは異なるように構成される。また、蛍光を受光す
る光学経路の空間的位置関係の構成から散乱光を避け
て、泳動部５の照射面から発する散乱光からの検出感度
を高めて、蛍光１３を受光する。集光器２３により受光
した光は、光電変換部２４により電気信号に変換され
る。

【００４０】光電変換部２４は、第１光電変器２４Ａと
第２光電変換器２４Ｂとの２系統の２つの光電変換器に
よって構成される。第１光電変器２４Ａおよび第２光電
変換器２４Ｂは、それぞれに検出する波長特性が異なる
光学フィルタを備えており、第１光電変器２４Ａは、蛍
光波長成分を検出する波長特性の光学フィルタにより蛍
長波長成分の光を検出する。また、第２光電変器２４Ｂ
は、蛍光波長よりも励起波長側に近い波長特性をもつ波
長特性の光学フィルタによりノイズ波長成分の光を検出
する。第１光電変器２４Ａおよび第２光電変換器２４Ｂ
からの各々の電気信号は、演算部３３に供給され、演算
部３３で２つの電気信号の差分演算がなされ、更に、増
幅器２５により増幅される。また、ゲルを透過したレー
ザビーム３１が迷光として悪影響を与えないように、泳
動部５のレーザビーム３１の照射面と反対側には、光ト
ラップ３２が設けられている。

【００４１】このように、集光器２３，光電変換部２
４，演算部３３を通して、検出する蛍光１３の受光感度
を高くして受光し、更に、受光した蛍光１３を蛍光波長
成分とノイズ波長成分に分けて光電変換して２つの電気
信号に変換した後、変換した２つの電気信号の差分をと
って、差分をとった後の電気信号を増幅器２５に入力す
る。増幅器２５において増幅された電気信号は、アナロ
グ・ディジタル変換回路２６に入力されて、ディジタル
データに変換される。ディジタルデータに変換された蛍
光パターンの検出信号はメモリ２８に記憶され、メモリ
２８に記憶されたデータが、インタフェース制御回路２
９を通してデータ処理装置８に送られる。なお、このよ
うな一連の信号処理の制御は制御回路２７が行う。

【００４２】図３および図４に詳細に示すように、計測
部本体における光照射機構および受光部では、光源４１
から発射されたされたレーザビームは（当該光源４１が
配置される位置に応じて必要な場合に設けられる）反射
ミラー４１ａによって、光軸の方向を変えて、振動ミラ
ー４２に照射される。振動ミラー４２は、ステッピング
モータにより回転振動され、照射光のレーザビームを平
板状ミラー４４に対してスキャンする。振動ミラー４２
によりスキャンされた照射光は、平板状ミラー４４の中
心線を走査ラインとして入射され、平板状ミラー４４に
より方向を変えて、スリット４６の間隙を通過して、読
み取り対象の泳動部５のゲルの面に対して垂直に照射さ
れる。この場合、レーザビームの照射光は、ゲルを支持
するガラス支持板に対して垂直に照射されており、ガラ
ス支持板の表面からの散乱光は、非常に少ないものとな
る。

【００４３】この結果、振動ミラー４２によってスキャ
ンされたレーザビームのスポット光は、移動しながら、
スリット４６の間を通って、泳動部５のゲルの厚み方向
に、つまり、ゲルの面を形成するガラス支持板に対して
垂直に照射される。これにより、スキャンされたレーザ
ビームのスポット光が照射された泳動部５のゲルから
は、蛍光１３が発する。ゲルから発した蛍光は、受光口
が走査ラインに沿って並べられている光ファイバの集合
体で構成される集光器２３を通して受光される。集光器
２３は、詳細は後述するが、蛍光１３を受光するため受
光口の受光経路の光軸が泳動部５を照射する照射光の光
軸とは異なるように配置されており、受光する光学経路
の空間的位置関係から、ゲルの面から発生する散乱光を
分離して、泳動部５の照射面からの蛍光の検出感度を高
めて、蛍光１３を受光する。集光器２３により受光した
光は、光電変換部２４により電気信号に変換される。

【００４４】次に、このような構成の電気泳動パターン
読み取り装置の計測部本体におけるの各部の構成および
動作を詳細に説明する。図６は、振動ミラーおよび平板
状ミラーを用いてゲル面をレーザビームでスキャンする
光走査機構を説明する図であり、また、図７は振動ミラ
ーの回転角とレーザビームのスポット光の移動距離の関
係を説明する図である。

【００４５】計測部本体の光走査機構においては、光源
４１，反射ミラー４１ａ，振動ミラー４２，平板状ミラ
ー４４，および、スリット４６の配置関係が、図３およ
び図４に示すような位置関係にあり、光源から発光され
たレーザビーム３１は、これらの光学部品を経ること
で、ゲル５ａを挟んで支持する平面状のガラス支持板５
ｂ，５ｃの照射光が照射される面に対して垂直に加えら
れる。

【００４６】この場合、ガラス支持板５ｃの面に対して
垂直に、つまり、ゲルの平面に対して主走査方向および
副走査方向ともに垂直にレーザビームが照射されること
で、散乱光の発生が押さえられて、有効に励起のための
光成分がゲルに加えられるため、Ｓ／Ｎ比が良くなる。

【００４７】また、例えば、振動ミラー４２がミラード
ライバ３０により等角速度で振動するように駆動された
場合には、泳動部５においては、両端部での光スポット
の移動速度が中央部（Ｘ＝０）の付近よりも速くなる。
そのため、泳動部５の試料から検出される蛍光の検出感
度は、中央部と端部とでは差が生ずることになる。この
ため、この実施例では、泳動部５のゲル上でレーザのス
ポット光の移動速度が等速となるように、振動ミラーを
駆動する速度を補正制御する。すなわち、図６に示すよ
うに、スポット光の位置Ｘに対するミラーの角度θの関
係となり、振動ミラーの回転中心と泳動部５の中央部と
の距離Ｚを用いると、ミラー角度θは次式で表される。 θ＝arctan（Ｘ／Ｚ） ここで、Ｚは振動ミラー２２の回転中心から泳動部５の
ゲルまでの距離であり、Ｘは振動ミラー２２の回転中心
から泳動部５のゲルの面に垂線を下ろした点を原点とす
るゲルの面方向の距離である。

【００４８】また、この種の光走査機構における回転角
と移動距離との間の関係を補正する方法としては、ｆθ
レンズを用いる方法があるが、ｆθレンズは高価であ
り、ｆθレンズを装着するため装置が重くなるので、こ
こでは、光走査機構の振動ミラー回転角と移動距離との
間の補正を、ミラードライバ３０に振動ミラー２２の回
転角速度を可変制御する制御回路を備え、振動ミラー２
２の回転駆動速度を補正制御することにより行う。

【００４９】図８は、振動ミラーを回転駆動制御するミ
ラードライバの制御回路の要部構成を示すブロック図で
ある。振動ミラーのアクチュエータとしては直線モータ
を用いており、振動ミラーの回転角制御は、回転角対応
に比例した電圧を印加することによって制御する。ゲル
の照射面においてレーザビームのスポット光が等速で移
動するためには、照射面の距離Ｘと時間ｔが比例関係と
なるように制御すればよい。振動ミラーの回転角θとス
ポット光の移動距離Ｘとの関係は、図７に示すような関
係となっているので、図７のグラフの横軸を時間軸、縦
軸を電圧軸に対応させた電圧波形の信号を発生させ、こ
れを振動ミラーを駆動する駆動制御信号とする。このよ
うな駆動制御信号の発生は、ミラードライバ３０におけ
る制御回路の起動により行い、発生した駆動制御信号を
振動ミラー２２のアクチュエータに供給して、振動ミラ
ー４２の駆動制御を行う。

【００５０】ミラードライバ３０は、図８に示すよう
に、関数波形を記憶した読み出し専用メモリ３０ａと、
読み出した関数データを電圧信号に変換するデジタル・
アナログ変換回路３０ｂと、変換された電圧信号を増幅
して駆動制御信号として出力するドライバ３０ｃと、メ
モリに対し時系列的に読み出しアドレスを与えるカウン
タ３０ｄと、カウンタにクロック信号を与える発振回路
３０ｅとから構成されている。

【００５１】計測部本体の制御回路２７からの指示によ
り、発振回路３０ｅが動作し、発振回路３０ｅからのク
ロック信号がカウンタ３０ｄに入力され、カウンタ３０
ｄはクロック信号をカウントし、読み出し専用メモリ３
０ａに供給する読み出しアドレスを時系列的に発生す
る。カウンタ３０ｄから順次に発生される読み出しアド
レスが時系列的に読み出し専用メモリ３０ａに供給され
ると、読み出し専用メモリ３０ａからは予め記憶されて
いる関数データが順次に読み出される。読み出し専用メ
モリ３０ａには、予め振動ミラーの回転角に関する関数
データ（図７）が書き込んであり、このような関数デー
タが時系列的に読み出される。この例では関数データの
ビット数は、１２ビットとしている。読み出された関数
データは、ディジタル・アナログ変換回路３０ｂにおい
て振動ミラーの回転角を制御するアナログ信号の電圧信
号に変換される。この電圧信号は、ドライバ３０ｃにお
いてステップ状のノイズをフィルタリングで除去し、更
に電力増幅して、駆動制御信号として、振動ミラー２２
に供給される。これにより、泳動部におけるレーザビー
ムのスポット光の移動速度（スキャン速度）が一定とな
るような所望の回転角速度で振動ミラーを振動させるこ
とができる。

【００５２】また、ここでのスキャン速度は、対数的に
ほぼ等分となるように0.5Hz，1Hz，2Hz，5Hz，10Hz，20
Hz，50Hz，100Hz，および200Hzの各速度で可変できるよ
うにな構成となっている。これは、電気泳動する試料に
標識した蛍光物質の量や蛍光物質の量子効率の差に応じ
て、読み取り速度を変えられるようにし、効率的に読み
取りを行うためである。スキャン速度の指定は、操作表
示パネル７ｂまたはデータ処理装置８から指定する。制
御回路２７からミラードライバ３０に対し、スキャン速
度の指示データが送られると、カウンタ３０ｄおよび発
振回路３０ｅを制御して、所望のスキャン速度で振動ミ
ラー２２を駆動させる。

【００５３】このようにして、振動ミラー２２の駆動制
御により、光源４１からのレーザビームが振動ミラー４
２によりスキャンされ、平板状ミラー４４により方向を
変えて、泳動部５においては一定速度で移動するスポッ
ト光として照射される。これにより、レーザ光の照射光
により照射された部分にある泳動部５のゲルの蛍光物質
が励起され、蛍光１３を発する。

【００５４】図９および図１０は、ゲルから発生する蛍
光を受光するための集光器および光電変換部の要部の構
成を光路を中心に示す図である。前述したように、泳動
部のゲル５ａは、ガラスのゲル支持体５ｂ，５ｃに挾ま
れて支持されている。ゲル支持体５ｂ，５ｃとしては、
この実施例の泳動部５では、ゲル支持体５ｂ，５ｃに蛍
光の比較的少ない硼硅酸塩ガラスを使用している。この
他にゲル支持体５ｂ，５ｃとしては、石英ガラスや各種
光学ガラスなどが利用できる。

【００５５】動作を説明すると、泳動部５において、図
９に示すように、スキャンされ移動するレーザビーム３
１が、ゲル中の蛍光物質を励起するための励起光として
照射される。レーザビーム３１の光はゲル支持体の５ｃ
のガラス板，ゲル５ａおよびゲル支持体５ｂのガラス板
を厚み方向に（面に垂直に）透過し、ゲル５ａに到達す
る。ゲル５ａにおいてはその厚み方向にレーザビーム３
１の光が進行する。ゲル支持板５ｂ，５ｃおよびゲル５
ａの厚みは、それぞれ約５mmおよび約０.３５mmとなっ
ており、ゲル支持板５ｂ，５ｃおよびゲル５ａの厚み方
向に照射されるレーザビーム３１の光は、泳動部５のど
の位置においてもゲルに到達する光の強度は概ね等し
い。また、ゲル５ａおよびゲル支持体５ｂ，５ｃの光入
射面で発生する光散乱によるレーザビーム３１の広が
り，強度減少も、厚み方向に面に対し垂直に（ゲルの面
に対して主走査方向および副走査方向ともに垂直に）励
起光を入射しているため、大幅に少なくなる。なお、ゲ
ル５ａを透過したレーザビーム３１は、迷光として悪影
響を与えないように光トラップ３２に入り減衰させられ
る。

【００５６】このように、レーザビーム３１がスキャン
されることによって、励起光がゲル５ａに照射され、こ
の励起光の光照射によりゲル５ａ内から発生する蛍光
は、励起光自体による散乱光などと共に集光器２３で集
光して、次段の光電変換部に導入される。ゲル支持体５
ｂ，５ｃにおいて発生する散乱光は、光学経路を、図９
に示すように構成することにより、受光経路の空間的位
置関係により幾何光学的に分離され、ゲルからの蛍光の
みが取り出されて光電変換部２４に送られる。光電変換
部２４においては、ゲル内において発生する散乱光と蛍
光とが更に特定波長のみを通過させる光学フィルタを用
いて分離され、光電子増倍管により微弱な蛍光が電気信
号に変換される。ここでの集光器２３の光学経路の構成
は、図９に示すように、光入射口を１つにまとめた２つ
の光ファイバアレイ２３ｂ，２３ｃにより、受光した蛍
光を２つに分離して、後段の２つの光電変換器２４Ａ，
２４Ｂに供給される。

【００５７】集光器２３および光電変換部２４における
光学系の構成を図９および図１０により説明すると、集
光器２３は、図９に示すように、泳動部５のゲル５ａか
らの蛍光およびゲル支持体５ｂ，５ｃから発生する励起
光の散乱光を、シリンドリカルレンズ２３ａで受けて集
光するように光学経路が構成されている。泳動部５から
の蛍光１３およびゲル支持体５ｂ，５ｃから発生する励
起光の散乱光は、シリンドリカルレンズ２３ａに到達し
て、散乱光および蛍光が、図示するように、シリンドリ
カルレンズ２３ａによりその反対側において結像する。
図中のＡ点は、ゲル５ａからの蛍光およびゲル５ａから
発生する励起光の散乱光に対する焦点である。また、ゲ
ル支持体５ｂ，５ｃの光入射面の表面において発生する
励起光の散乱光の場合、例えば、ゲル支持体５ｃの表面
からの散乱光の場合、図中のＡ′点に結像する。ここで
光ファイバアレイ２３ｂは、光の入射口をゲル５ａから
の蛍光のみを受光するように、その結像点Ａの位置に配
設することで、受光経路の空間的位置関係により幾何光
学的に、蛍光をゲル支持体から発生する散乱光と分離す
る。励起光を厚み方向に照射する方法は、ゲルとゲル支
持体であるガラスとの屈折率が１.４〜１.５前後と比較
的近いこと、およびゲルとゲル支持体のガラスの境界面
が非常に密着していることにより、この境界面において
発生する散乱光は非常に少ない。したがって、Ａ点で受
光する光は、ゲル５ａの表面において発生する励起光の
散乱光も少なくなっており、ゲル５ａの内部からの蛍光
のみが大きく受光される。

【００５８】ところで、ゲル支持体５ｂ，５ｃのいずれ
か、またはゲル支持体の双方を取り外して、ゲル５ａに
対して直接に励起光としての照射光をスキャンさせる場
合には、上述のようなゲル支持体であるガラス表面から
発生する量とほぼ同じの量の散乱光がゲル表面から発生
する可能性があるが、この場合には、計測部本体７の読
み取り台（７ｃ；図３）の載置ガラスの厚み分により、
上述したようなゲル支持体のガラスの厚み分と同様な効
果があるので、検出感度が低下することなく、ゲル面か
らの蛍光を確実に検出できる。なお、ゲル支持体５ｂ，
５ｃのいずれかまたは双方を取り外した場合には、この
時点において、ゲル５ａに対して色素を着色する処理な
どを行う。特に、ゲル支持体５ｂ，５ｃの取り除きが必
要のない場合には、ゲル支持体５ｂ，５ｃをつけたまま
の状態で、ゲル５ａの読み取りを行う方が信号対雑音比
を向上させられる。

【００５９】なお、ここでの集光器２３の構成において
は、シリンドカルレンズ２３ａは、１つしか用いていな
いが、レーザビームの走査面に対称な位置や、更には試
料の反対側などにシリンドルカルレンズを載置するよう
にしてもよい。特に、検出するべき蛍光の発光量が不足
している場合には、例えば、蛍光を発生するゲルの走査
線を取り囲む４方向にシリンドルカルレンズと光ファィ
バアレイを載置し、微弱に発光する蛍光を集光すること
で検出光量を増加させるようにする。その場合には、対
向するシリンドリカルレンズの表面反射が互いに影響を
受けないように光軸をずらすなどの対処が有効である。

【００６０】光ファイバアレイの入射口（Ａ点）により
集光された蛍光は、第１光ファィバアレイ２３ｂおよび
第２光ファイバアレイ２３ｂの各々の光ファイバに導か
れて２つに分離され、各々に光ファイバが束ねられた光
出射口から、光電変換部２４の第１光電変換器２４Ａお
よび第２光電変換器２４Ｂの２つの光電変換器にそれぞ
れ供給される。第１光ファイバアレイ２３ｂおよび第２
光ファイバアレイ２３ｃは、図１０に例示するように、
受光面の入射口が泳動部５における励起光のスキャンラ
インに沿ったライン状として共通に形成され、ライン状
の光入射口から光ファイバ内部に導かれた光を均等に２
つに分けて導出されるように、その光導出口が光ファイ
バアレイの束の各々光ファイバを交互に２つに分けて円
形に束ねられて形成されたものである。１つのライン状
の光入射口を有し、２つの円形の光出射口を有する光フ
ァイバアレイ（２３ｂ，２３ｃ）の内部を導かれた蛍光
は、光電変換部２４における第１光電変換器２４Ａおよ
び第２光電変換器２４Ｂに入射される。すなわち、第１
光ファイバアレイ２３ｂおよび第２光ファイバアレイ２
３ｃの各々の光の導出口は、光電変換部２４における第
１光電変換器２４Ａおよび第２光電変換器２４Ｂの光入
射口に対向して位置決めされており、光ファイバアレイ
２３ｂ，２３ｃの各々の光導出口から導出された蛍光
は、第１光電変換器２４Ａおよび第２光電変換器２４Ｂ
の光入射口から入射される。

【００６１】光電変換部２４における光学系の構成は、
図１０に示すように、集光部２３の２つの光ファイバア
レイ（２３ｂ，２３ｃ）により、泳動部５から発光する
蛍光を均等に分布するように２つに分けて、それぞれ、
光電変換部２４の第１光電変換器２４Ａおよび第２光電
変換器２４Ｂの光入射口から入射される。第１光電変換
器２４Ａは、第１レンズ２４ａ，絞り２４ｂ，第２レン
ズ２４ｃ，第１光学フィルタ２４ｄ，第３レンズ２４
ｅ，および、光電子増倍管２４ｆから構成されている。
第１光電変換器２４Ａにおいては、第１レンズ２４ａ，
絞り２４ｂ，および第２レンズ２４ｃを用いて、集光部
２３の第１光ファイバアレイ２３ｂから入射された光の
平行光成分のみを取り出し、取り出した平行成分の光を
第１光学フィルタ２４ｄに入射させる。第１光学フィル
タ２４ｄは、蛍光波長成分を通過させるバンドパスフィ
ルタ特性を有しており、第１光学フィルタ２４ｄにより
光の蛍光波長成分を取り出し、第３レンズ２４ｅで更に
集光して、光電子増倍管２４ｆに入力して、電気信号に
変換する。

【００６２】光電変換部２４の第２光電変換器２４Ｂ
は、第１光電変換器２４Ａと同様な構成となっており、
第１レンズ，絞り，第２レンズ，第２光学フィルタ２４
ｇ，第３レンズ，および、光電子増倍管２４ｈから構成
されている。ただし、この第２光電変換器２４Ｂの第２
光学フィルタ２４ｇは、第１光電変換器２４Ａにおける
第１光学フィルタ２４ｄとは異なり、第２光ファイバア
レイ２３ｃにより２分割して入射された蛍光のノイズ波
長成分を通過させるバンドパスフィルタ特性を有してい
る。このため、この第２光電変換部２４Ｂでは、第１レ
ンズ，絞り，および第２レンズを用いて取り出した光の
平行光成分から、第２光学フィルタ２４ｇにより、受光
した蛍光のノイズ波長成分のみを取り出し、第３レンズ
で集光して光電子増倍管２４ｈに入力して、電気信号に
変換する。

【００６３】このようにして、各々の第１光学フィルタ
２４ｄおよび第２光学フィルタ２４ｇから各々のバンド
パスフィルタ特性に従って選択的に得た蛍光波長成分お
よびノイズ波長成分の各波長成分の光は、それぞれ第３
レンズにより集光されて、それぞれに光電子増倍管２４
ｆおよび光電子増倍管２４ｈに導きかれ、蛍光強度成分
に対する電気信号およびノイズ成分に対する電気信号を
得る。ここで得た蛍光強度成分に対する電気信号および
ノイズ成分に対する電気信号は、次段の差分演算を行う
演算部３３に入力され差分演算が行なわれ、蛍光波長成
分からノイズ波長成分が除去された検出すべき蛍光波長
のみの光強度の電気信号となる。

【００６４】図１１は、差分演算を行う演算部の構成を
示す回路図である。この演算部３３は信号入力段に演算
増幅器３３ａ，３３ｂで構成される電流−電圧変換回路
が設けられ、次段に演算増幅器３３ｃで構成される差分
回路が備えられている。第１光電変換器２４Ａの光電子
増倍管２４ｆおよび第２光電変換器２４Ｂの光電子増倍
管２４ｈからの電気信号は、演算増幅器３３ａおよび演
算増幅器３３ｂで構成される電流−電圧変換回路でそれ
ぞれに電流値から電圧値に変換された後、差分回路を構
成する演算増幅器３３ｃに入力される。演算増幅器３３
ｃでは、入力された電圧値信号の差分演算を行い、増幅
して出力する。なお、この差分演算を行う演算増幅器３
３ｃの増幅度（差分演算の重み付け度）は外付け抵抗に
より設定できる。

【００６５】このように、演算部３３により差分演算を
行い、蛍光波長成分からノイズ波長成分を取り除いた電
気信号を得て、次の積分増幅を行う増幅器２５に電気信
号を供給する。増幅器２５においては、ノイズ成分を除
去した蛍光信号の微弱な信号を積分回路を含む増幅段で
十分に増幅される。

【００６７】ここで、差分演算を行うことによりノイズ
成分を除去し、検出すべき蛍光信号の微弱な信号を得る
ための光電変換部２４における２つの光学フィルタ（第
１光学フィルタ２４ｄおよび第２光学フィルタ２４ｇ）
の各々の通過波長成分のバンドパスフィルタ特性につい
て説明する。図１２は蛍光物質の蛍光強度特性を示す蛍
光曲線に対して検出すべき蛍光波長を得るための各々の
光学フィルタの透過波長特性を説明するための図であ
る。図１２（Ａ）に蛍光曲線の特性図を示し、図１２
（Ｂ）に第１光学フィルタの透過波長特性を示し、ま
た、図１２（Ｃ）に第２光学フィルタの透過波長特性を
示している。

【００６８】ここで、検出すベき蛍光物質の蛍光波長特
性は、励起波長５３２ｎｍのレーザ光で励起した場合
に、図１２（Ａ）に示すように、６００ｎｍを中心とし
た波長特性を有している。このような特性で発光する蛍
光の存在を検出するため、蛍光波長成分を透過させて検
出する光学フィルタは、蛍光波長成分を透過させるバン
ドパスフィルタ特性を有するものであり、図１２（Ｂ）
に示すように、第１光学フィルタ２４ｄは、蛍光曲線の
ピーク値である６０５ｎｍを中心としたバンドパスフィ
ルタ特性を有しているものを用いて、効率よく蛍光波長
成分を透過させて、当該検出対象の蛍光波長成分を検出
する。この場合、集光部２３，光電変換部２４により受
光光学経路の光軸の空間的位置関係により、励起波長成
分および散乱光などのノイズ波長成分は大部分が除去さ
れているが、微弱な蛍光を検出するためには十分なＳ／
Ｎ比で除去されていない。そこで、更に図１２（Ｃ）に
示すように、通過波長５８５ｎｍを中心としたバンドパ
スフィルタ特性を有している第２光学フィルタ２４ｇを
用いて、同じく第１光学フィルタ２４ｄを通過させる検
出蛍光からノイズ波長成分を検出する。

【００６９】すなわち、第２光学フィルタ２４ｇは、図
１２（Ｃ）に示すように、透過波長５８５ｎｍを中心と
したバンドパス特性を有している。検出すべき蛍光の蛍
光曲線の特性は、図１２（Ａ）に示すように、５８５ｎ
ｍ付近では、蛍光のピーク波長からはずれているため、
第２光学フィルタ２４ｇの透過光に対する蛍光波長成分
とバックグラウンドノイズ成分との比率は、バックグラ
ウンドノイズ成分が大半を占めることになる。つまり、
第２光学フィルタ２４ｇの透過光からは、ノイズの波長
成分を得ることができる。このように、ノイズ成分用の
光学フィルタは、励起波長より長波長側から蛍光曲線の
ピーク波長より短波長側の間の適当な透過波長特性を有
する光学フィルタが存在するので、このような透過波長
特性を有する光学フィルタを選択して用いる。

【００７０】また、蛍光波長成分を透過させる第１光学
フィルタ２４ｄは、図１２（Ｂ）に示すように、蛍光曲
線のピーク値である６０５ｎｍを中心としたバンドパス
フィルタ特性を有しているため、効率よく蛍光波長成分
を透過する。第１光学フィルタ２４ｄの透過光の対する
蛍光波長成分とノイズ波長成分の比率は、蛍光波長成分
が大半を占める。つまり、第１光学フィルタ２４ｄの透
過光からは蛍光波長成分を得ることができる。

【００７１】このようにして、第１光学フィルタ２４ｄ
および第２光学フィルタ２４ｇから各々のバンドパスフ
ィルタ特性に従って選択的に得た蛍光の各波長成分の光
は、それぞれ第３レンズにより集光されて、光電子増倍
管２４ｆおよび光電子増倍管２４ｈに導き、蛍光強度成
分に対する電気信号およびノイズ成分に対する電気信号
を得る。このようにして得られた各々の電気信号は、前
述したように、差分演算を行う演算部３３に加えられ
て、差分演算が行なわれ、蛍光波長成分からノイズ成分
を取り除いた電気信号を得て、次の積分増幅を行う増幅
器２５に電気信号を供給する。増幅器２５においては、
ノイズ成分を除去した蛍光信号の微弱な信号を積分回路
を含む増幅段で十分に増幅される。

【００７２】図１３は、積分回路を含む増幅器２５の構
成を示す回路図である。ここでの増幅器２５には、図１
３に示すように、前段に演算増幅器２５ａで構成される
積分回路が設けられ、次段に演算増幅器２５ｂで構成さ
れる出力増幅回路が備えられて、積分増幅段を構成して
いる。差分演算を行った演算部３３の演算増幅器３３ｃ
からの電気信号は、入力段の演算増幅器２５ａに入力さ
れる。この入力段の演算増幅器２５ａは、負帰還回路に
コンデンサ２５ｃおよび積分動作を制御するスイッチ２
５ｄを備えて積分回路を構成している。この積分回路か
らの出力は、後続する演算増幅器２５ｂに入力され、外
付抵抗で決まるゲインでの増幅を行い、次に続くアナロ
グ・デジタル変換回路２６に送られる。

【００７３】このように構成される積分回路を含む増幅
器２５における動作を、図１４のタイミングチャートを
参照して説明する。演算増幅器２５ａには、ＦＥＴ（電
界効果トランジスタ）入力型の高入力インピーダンスの
ものが用いられており、スイッチ２５ｄがオフ状態にな
っていると、差分回路の演算増幅器３３ｃからの出力電
流は、そのまま全部がコンデンサ２５ｃを流れる電流と
なる。この電流による電荷がコンデンサに蓄積されて積
分が行なわれる。これにより演算増幅器２５ａの出力電
圧は、図１４に示すように、ランプ関数状の出力とな
る。ここでの積分動作では、１画素に相当する時間だけ
積分し、アナログ・デジタル変換回路２６内にある標本
化回路がＳ／Ｈクロックのタイミングに合せてサンプリ
ングして、そのままホールドし、次に続くアナログ・デ
ジタル変換回路２６においてデジタル信号に変換する。
ホールドされた後は、スイッチ２５ｄに加えるＣ／Ｄ制
御信号であるＣ／Ｄクロックをアクティブにすることに
より、コンデンサ２５ｃに蓄積した電荷を放電する。以
下、同様にして、このような１画素に相当する時間だけ
の積分動作を繰り返す。

【００７４】このような演算増幅器による積分回路を用
いる増幅段は、抵抗とコンデンサのみからなる疑似的な
積分回路でも利用可能である。ただし、上述のような演
算増幅器による積分回路では、演算部３３の差分回路を
構成している演算増幅器３３ｃからの電気信号をほぼ完
全に積分することができ、高い信号対雑音比を得ること
ができる。また、積分時間についても、スイッチ２５ｄ
に対するＣ／Ｄ制御信号のＣ／Ｄクロックを変えること
で任意に変えることができる。このため、総合的に微弱
な信号を増幅する増幅度の調整が容易に行える。ここで
の実施例の場合には、図６に示したミラードライバ３０
による励起光のスキャン動作と同期させることにより、
試料の蛍光パターン検出のための蛍光検出を行う面積の
大きさに合せて制御することが可能であり、読み取りの
無駄時間をなくすことができる。また、試料からの蛍光
の強度に合せて、励起光のスキャン速度と受光側の増幅
器の積分時間を自由に設定できるため、非常にフレキシ
ブルに検出感度を調整できる装置を構成することができ
る。また、この他にコンデンサおよび抵抗のみで積分動
作を行う場合は、照射光の走査速度に対応した時定数と
なるように、コンデンサの容量値または抵抗の値を切換
えられるように構成することで、疑似的に実現すること
で可能である。

【００７５】なお、増幅器２５（図２）で増幅された電
気信号は、次のアナログ・デジタル変換回路２６に入力
されて、デジタルデータに変換される。デジタルデータ
に変換された蛍光検出信号は、メモリ２８に記憶され、
メモリ２８に記憶されたデータがインタフェース回路２
９を通してデータ処理装置８に送られる。このような一
連の信号処理の全体の制御は、制御回路２７が行う。

【００７６】次に、本実施例の蛍光パターン読み取り装
置における装置構成要素の変形例について説明する。演
算部３３を構成する差分演算回路の変形例の１つとし
て、差分演算をディジタル信号で行う場合の装置構成例
を説明する。図１５は本実施例の蛍光パターン読み取り
装置の計測部本体の第２の実施例の構成を示すブロック
図である。図１５に示す第２の実施例の計測部本体の構
成は、基本的な装置構成要素は、図２に示した計測部本
体の構成と同様なものであるが、ここでの構成では、光
電変換部（２４Ａ，２４Ｂ），増幅器（２５Ａ，２５
Ｂ），およびアナログ・デジタル変換回路（２６Ａ，２
６Ｂ）の信号処理系統をそれぞれ２系統備えており、１
つの信号系統で蛍光波長成分の蛍光パターン信号の検出
を行い、他の信号系統でノイズ波長成分の蛍光パターン
信号の検出を行う。これらの２つの信号系統はそれぞれ
独立して調整できるので、光学フィルタおよび光学経路
などの特性に合せて各々の波長成分の検出のための信号
系を調整できる。

【００７７】すなわち、集光部２３において２つに分け
て集光された蛍光信号は、光電変換部２４の第１光電変
換器２４Ａおよび第２光電変換器２４Ｂで蛍光波長成分
とノイズ波長成分に分けて電気信号に変換され、これら
２つの電気信号は第１増幅器２５Ａおよび第２増幅器２
５Ｂでそれぞれ積分増幅された後、第１アナログ・デジ
タル変換回路２６Ａおよび第２アナログ・デジタル変換
回路２６Ｂによりそれぞれにデジタル信号に変換され
る。デジタル信号に変換された蛍光波長成分のデータお
よびノイズ波長成分のデータは、デジタル差分演算部３
４に入力される。デジタル差分演算部３４は、例えばデ
ジタル・シグナル・プロセッサ（ＤＳＰ）などのデジタ
ル演算素子を用いて蛍光波長成分のデジタル信号データ
とノイズ波長成分のデジタル信号データの差分演算を行
う演算回路であり、デジタル信号で演算を行うために、
回路等のノイズを排除した処理を行うことができる。

【００７８】先に説明した実施例では、集光器および光
電変換器を２系統設けて、それぞれの集光器および光電
変換器により、蛍光波長成分とノイズ成分とに分離する
構成としているが、同様の機能を２枚の光学フィルタと
２つの光電変換器により実現することができる。この場
合の光電変換部の変形例を次に説明すると、前述した光
電変換部２４では、図１０に示すように、それぞれ異な
る透過波長特性を有する光学フィルタを備えた第１光電
変換器２４Ａおよび第２光電変換器２４Ｂの２系統の光
電変換器を有するものであったが、ここでの変形例の光
電変換部３６としては、光学フィルタの入射角度依存特
性を用いて、蛍光波長成分とノイズ波長成分とを分離し
て、各々の波長成分の電気信号を得るようにしている。

【００７９】光電変換部３６は、図１６に示すように、
第１レンズ３６ａ，絞り３６ｂ，第２レンズ３６ｃ，第
１光学フィルタ３６ｄ，第３レンズ３６ｅ，第１光電子
増倍管３６ｆ，第２光学フィルタ３６ｇ，第４レンズ３
６ｈ，および第２光電子増倍管３６ｉから構成されてお
り、集光部２３の１つの光ファイバアレイ２３ｂにより
集光された蛍光を入射口より入射させて、蛍光波長成分
およびノイズ波長成分に対する各々の蛍光の電気信号へ
の変換を行う。ここでの第１光学フィルタ３６ｄは、入
力側で入射する光に対して透過光以下の波長を反射する
特性を有するように設計されている光学フィルタを用
い、光の進行方向に対して直角でなく、約２０度傾けて
配置されている。これにより、第１光学フィルタ３６ｄ
は、入力側から入射する光に対して透過光以下の波長を
反射するので、蛍光波長成分の光は第１光学フィルタ３
６ｄを透過して、第３レンズ３６ｅを介して第１光電子
増倍管３６ｆに入射され、第１光電子増倍管３６ｆで電
気信号に変換される。

【００８０】また、第１光学フィルタ３６ｄの透過波長
の蛍光波長成分より短波長側の波長成分であるノイズ波
長成分は、第１光学フィルタ３６ｄの入射面で反射され
て第２光学フィルタ３６ｇに入射されるので、この第２
光学フィルタ３６ｇにより、ノイズ波長成分の蛍光を選
択的に透過させて、第４レンズ３６ｈを介して第２光電
子増倍管３６ｉに入射させ、第２光電子増倍管３６ｉで
検出する蛍光に対するバックグラウンドノイズ波長成分
の電気信号に変換される。

【００８１】また、第１光学フィルタ３６ｄの配置位置
に代わりにビームスプリッタを配設して入力光を均等に
２分割した後、分割した光をそれぞれ別の位置に配設し
た第１光学フィルタ３６ｄおよび第２光学フィルタ３６
ｇの各々のフィルタ面に対して垂直に入射するような構
成としてもよい。この場合、第１光学フィルタ３６ｄは
蛍光波長を透過する特性を有し、第２光学フィルタ３６
ｇはノイズ波長を透過する特性を有するものを用いる。
このようにして、光学フィルタを透過した光をそれぞれ
レンズを介して光電子増倍管に入射して、蛍光波長成分
の電気信号とノイス成分の電気信号を得るようにしても
よい。

【００８２】以上、本発明を実施例にもとづき具体的に
説明したが、本発明は、前記実施例に限定されるもので
はなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可
能であることは言うまでもない。

【００８３】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明の蛍光パ
ターン読み取り方法によれば、泳動パターンの蛍光物質
が発光する蛍光波長成分とノイズ波長成分との差分がと
られて、蛍光パターンの読み取り出力が得られるので、
読み取りのノイズ成分をキャンセルすることができる。
また、蛍光波長成分からノイズ波長成分をキャンセルす
るため、泳動部のゲルに入り込んだ空気の泡や薄膜フイ
ルタの表面のノイズの影響を受けずに蛍光パターンの読
み取りができる。更には、バックグラウンド成分の信号
を低減できるので、Ｓ／Ｎ比を向上させることができ、
感度よく電気泳動したゲルや、薄膜フィルタの蛍光パタ
ーンを読み取ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例にかかる蛍光パターン読み
取り装置の全体の構成を説明する概略図である。

【図２】 計測部本体の要部の構成を示すブロック図で
ある。

【図３】 光照射機構および受光部の構成を説明する斜
視図である。

【図４】 光照射機構および受光部の構成を説明する部
分断面図である。

【図５】 計測部本体に装着する泳動部ユニットの装着
位置を説明する図である。

【図６】 振動ミラーを用いてゲル面をレーザビームで
スキャンする光走査機構を説明する図、

【図７】 振動ミラーの回転角とレーザビームのスポッ
ト光の移動距離の関係を説明する図、

【図８】 振動ミラーを回転駆動制御するミラードライ
バの制御回路の要部構成を示すブロック図、

【図９】 集光器の光学系の詳細な構成を示す図、

【図１０】 光電変換部の光学系の詳細な構成を示す
図、

【図１１】 差分演算を行う演算部の詳細な構成を示す
図、

【図１２】 蛍光物質の蛍光強度特性を示す蛍光曲線に
対して検出すべき蛍光波長を得るための各々の光学フィ
ルタの透過波長特性を説明するための図、

【図１３】 積分回路を含む増幅器の回路構成を示す回
路図、

【図１４】 増幅器の読み取り動作のタイミングを示す
タイムチャート、

【図１５】 第２の実施例にかかる計測部本体の要部の
構成を示すブロック図、

【図１６】 第２の実施例にかかる光電変換部の光学系
の詳細な構成を示す図、

【図１７】 従来の蛍光式電気泳動装置の外観を示す斜
視図、

【図１８】 泳動計測装置の内部の構成を示すブロック
図、

【図１９】 図１９（Ａ）および図１９（Ｂ）はそれぞ
れ蛍光法による電気泳動パターン検出の動作原理を示す
泳動部の正面図および縦断面図、

【図２０】 図２０（Ａ）および図２０（Ｂ）は泳動計
測装置から送出されるＤＮＡ断片の蛍光強度パターン信
号の例を説明する図、

【図２１】 電気泳動を行ったＤＮＡ断片の分布例を示
す図である。

【符号の説明】

１ 電気泳動ユニット ２ａ 第１電極 ２ｂ 第２電極 ３ 支持板 ４ 電気泳動用電源装置 ５ 泳動部ユニット（泳動部） ６ 読み取りユニット ７ 計測部本体 ８ データ処理装置 ９ イメージプリンタ １０ 制御回路 １１ 光源 １２ 光ファイバ １３ 蛍光 １４ 集光器 １５ 光学フィルタ １６ 光センサ １７ 増幅器 １８ アナログ・ディジタル変換回路 １９ 信号処理部 ２０ インタフェース ２３ 集光器 ２４ 光電変換部 ２５ 増幅器 ２６ アナログ・ディジタル変換回路 ２７ 制御回路 ２８ 記憶回路 ２９ インタフェース ３０ ミラードライバ ３１ レーザビーム ３２ 光トラップ ３３ 演算部 ３４ ディジタル差分演算部 ３６ 光電変換部 ４１ 光源 ４２ 振動ミラー ４３ ステッピングモータ ４４ 平板状ミラー ４５ アクチュエータ ４６ スリット ５１ 泳動計測装置 ５１ａ 扉 ５１ｂ 操作パネル ５２ データ処理装置 ５３ ケーブル ５４ 計算機本体 ５５ キーボード ５６ ディスプレイ ５７ プリンタ ６３ 電気泳動部装置 ６４ 信号処理装置 ６１ 光路 ６２ 走査線 ６６ バンド ７１，７２，７３，７４ レーン

フロントページの続き (72)発明者 藤宮 仁 神奈川県横浜市中区尾上町６丁目81番地 日立ソフトウェアエンジニアリング株式会 社内 (72)発明者 渡辺 敏正 神奈川県横浜市中区尾上町６丁目81番地 日立ソフトウェアエンジニアリング株式会 社内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 蛍光物質を標識した試料を泳動パターン
   に展開したゲルを支持するガラス支持板と、 ゲル中の泳動パターンの蛍光物質を励起させる照射光を
   発光する光源と、 前記ゲルの面に対して前記光源からの照射光を前記ガラ
   ス支持板に垂直に照射して走査する光照射機構と、 照射光の光軸とは異なる方向に受光面を設定して泳動パ
   ターンの蛍光をガラス支持板の散乱光から分離して受光
   する受光部と、 受光部で受光した蛍光を２つの波長特性で分離する光学
   フィルタ部と、 光学フィルタ部で分離した２つの波長成分の蛍光のそれ
   ぞれの光電変換を行って電気信号を出力する光電変換部
   と、 光電変換部からの電気信号を増幅し泳動パターンの蛍光
   の電気信号を出力する増幅器と、 蛍光の２つの波長成分の電気信号の差分を取る演算部と
   を備えることを特徴とする蛍光パターン読み取り装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の蛍光パターン読み取り
   装置において、 光照射機構は、 ゲル面に対する走査ラインに沿った間隙を有するスリッ
   トと、 前記スリットの間隙に照射光を反射させて入射させる平
   板状ミラーと、 前記平板状ミラーの反射角を制御する制御機構とを備
   え、 前記スリットおよび前記平板状ミラーの反射角の制御に
   より光源からの照射光をゲル面を形成するガラス支持板
   に対して垂直に照射することを特徴する蛍光パターン読
   み取り装置。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の蛍光パターン読み取り
   装置において、 光学フィルタ部の２つの波長特性の１つは、読み取り蛍
   光パターンの蛍光波長の波長特性であり、他の１つは、
   前記蛍光波長の波長特性よりも励起波長側に近い波長特
   性であることを特徴とする蛍光パターン読み取り装置。
4. 【請求項４】 請求項１に記載の蛍光パターン読み取り
   装置において、 光学フィルタ部は、受光部で受光した蛍光の光信号を２
   つに分割し、分割した光信号を蛍光波長の波長特性と該
   蛍光波長よりも励起波長側に近い波長特性を有する光学
   フィルタにそれぞれ通して、蛍光波長成分とノイズ成分
   とに分離することを特徴とする蛍光パターン読み取り装
   置。
5. 【請求項５】 請求項１に記載の蛍光パターン読み取り
   装置において、 蛍光の２つの波長成分は蛍光波長成分とノイズ成分であ
   り、演算部は、光電変換部で変換した蛍光成分の電気信
   号とノイズ成分の電気信号とをアナログ信号のまま差分
   をとることを特徴とする蛍光パターン読み取り装置。
6. 【請求項６】 請求項１に記載の蛍光パターン読み取り
   装置において、 蛍光の２つの波長成分は蛍光波長成分とノイズ成分であ
   り、演算部は、光電変換部で変換した蛍光成分の電気信
   号とノイズ成分の電気信号とをそれぞれにアナログ・デ
   ィジタル変換して、各成分の信号データを得た後、蛍光
   成分データとノイズ成分データとを線形演算法を用いて
   差分をとることを特徴とする蛍光パターン読み取り装
   置。