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JP2004257737A - Biochip reader - Google Patents

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Publication number
JP2004257737A
JP2004257737A JP2003045368A JP2003045368A JP2004257737A JP 2004257737 A JP2004257737 A JP 2004257737A JP 2003045368 A JP2003045368 A JP 2003045368A JP 2003045368 A JP2003045368 A JP 2003045368A JP 2004257737 A JP2004257737 A JP 2004257737A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light
biochip
fluorescence
laser
interference filter
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2003045368A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Masuo Konishi
益生 小西
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Original Assignee
Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd filed Critical Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority to JP2003045368A priority Critical patent/JP2004257737A/en
Publication of JP2004257737A publication Critical patent/JP2004257737A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • Investigating Or Analysing Materials By The Use Of Chemical Reactions (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

Abstract

【課題】小型で低コストなバイオチップ読み取り装置を提供する。
【解決手段】蛍光物質を励起可能なレーザ光11を照射する半導体レーザ10と、半導体レーザ10から照射されたレーザ光11をガウシアン光からトップハット光に変換するビームシェーパー12と、散乱した蛍光21をコリメートするキャピラリプレート22と、キャピラリプレート22を通過した光のうちレーザ光11を遮断し蛍光21を透過する干渉フィルタ24と、干渉フィルタ24を透過した蛍光21を受光する電子冷却式CCD20と、を有する構成とした。
【選択図】 図1
A small and low-cost biochip reader is provided.
A semiconductor laser for irradiating a laser beam capable of exciting a fluorescent substance, a beam shaper for converting the laser beam emitted from the semiconductor laser from Gaussian light to a top hat light, and scattered fluorescent light are provided. A capillary plate 22 for collimating the light, an interference filter 24 for blocking the laser beam 11 of the light passing through the capillary plate 22 and transmitting the fluorescent light 21, an electronically cooled CCD 20 for receiving the fluorescent light 21 transmitted through the interference filter 24, .
[Selection diagram] Fig. 1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バイオチップ読み取り装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
有用な遺伝子の研究や病気の診断などのために、遺伝子の発現パターンの解析や、蛋白質の機能を解明するプロテオーム解析などが行われている。これらの解析には、ハイブリダイゼーション反応が利用されている。ハイブリダイゼーション反応は、既知の配列を有するDNAや蛋白質等(以下、プローブと呼ぶ)と、調査対象のDNAや蛋白質等(以下、試料と呼ぶ)とを、相補的に結合(ハイブリダイズ)させるものである。その具体的な方法として、まずDNAチップやプロテインチップなどのバイオチップを形成する。バイオチップは、ガラス基板の表面に形成した多数のスポットに、それぞれ配列の異なるプローブを固定したものである。一方の試料には、蛍光物質により標識を施しておく。そして、このバイオチップおよび試料を反応容器に入れて、ハイブリダイゼーションを行う。その後、バイオチップに光を照射して蛍光物質を励起させ、各スポットから発せられる蛍光の強度を測定して、各スポットにおけるハイブリダイゼーションの有無等を確認する。これにより、DNAや蛋白質等に関する各種の解析を行うことができる。
【0003】
この蛍光測定方法には、以下の2方式が存在する。図4に第1の方式の説明図を示す。第1の方式では、蛍光物質の励起波長のレーザ光111を半導体レーザ110により照射し、このレーザ光111を集光レンズ114で集光し、さらにガルバノミラー116で反射して、バイオチップ101上を走査させる。バイオチップ101におけるハイブリダイゼーションの行われたスポット102では、蛍光物質がレーザ光により励起されて蛍光121を発生する。そして、散乱する蛍光121をレンズ126で集光し、フォトマル120等で受光するものである。第2の方式では、キセノン等の連続光源と光学バンドパスフィルタとを組み合わせて励起光を作成し、バイオチップ上に照射する。さらに、バイオチップの各スポットから散乱する蛍光をレンズで集光し、冷却CCD等で平面的に受光するものである。
【0004】
【特許文献1】
特開平11−094747号公報(第1図、第2図)
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上述した第1の方式では、照射したレーザ光の集光および散乱した蛍光の集光のため、集光レンズを使用する。集光レンズは、一般に長い焦点距離(数cm〜10cm程度)を必要とするので、バイオチップ読み取り装置が大型化するという問題がある。また、バイオチップ上にレーザを走査するガルバノミラーは、光軸やタイミングの設定が困難であり、バイオチップ読み取り装置が複雑化するという問題がある。
【0006】
また、上述した第2の方式では、キセノン等の連続光源を使用するが、高輝度の連続光源が必要となり、バイオチップ読み取り装置が大型化および高額化するという問題がある。また、キセノン等の連続光源は発熱量が多く、DNAなどを痛める危険性があることから、バイオチップに近づけることができない。したがって、バイオチップ読み取り装置が大型化するという問題がある。一方、散乱した蛍光の集光のため集光レンズを使用するので、やはりバイオチップ読み取り装置が大型化するという問題がある。
【0007】
このように、いずれの方式を用いても、バイオチップ読み取り装置が大型化し、または高額化するという問題があった。そのため、臨床検査や食品検査の一部では、バイオチップ読み取り装置を利用することができなかった。
本発明は上記問題点に着目し、小型で低コストなバイオチップ読み取り装置の提供を目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係るバイオチップ読み取り装置は、バイオチップにおける複数のスポットに光を照射し、これにより発生した蛍光を受光して、蛍光物質の存在する前記スポットを特定するバイオチップ読み取り装置であって、前記蛍光物質を励起可能なレーザ光を照射する半導体レーザと、前記半導体レーザから照射された前記レーザ光を、ガウシアン光からトップハット光に変換するビームシェーパーと、を有する構成とした。
【0009】
ビームシェーパーを用いることで、半導体レーザを面光源として使用することが可能となり、集光レンズおよびガルバノミラーを使用する必要がなくなる。これにより、バイオチップに近接して半導体レーザを配置することが可能となり、バイオチップ読み取り装置を小型化することができる。また、ガルバノミラーや連続光源など、取り扱いが複雑で高価な部品を使用する必要がなくなるので、低コストで信頼性の高いバイオチップ読み取り装置を提供することができる。
【0010】
また、バイオチップにおける複数のスポットに光を照射し、これにより発生した蛍光を受光して、蛍光物質の存在する前記スポットを特定するバイオチップ読み取り装置であって、散乱した前記蛍光をコリメートするキャピラリプレートと、前記キャピラリプレートを通過した光のうち、前記蛍光物質を励起する光を遮断し、前記蛍光を透過する干渉フィルタと、前記干渉フィルタを透過した前記蛍光を受光するイメージセンサと、を有する構成とした。
【0011】
キャピラリプレートを用いることで、散乱する蛍光をコリメートすることが可能となり、集光レンズを使用する必要がなくなる。これにより、バイオチップに近接してイメージセンサを配置することが可能となり、バイオチップ読み取り装置を小型化することができる。
【0012】
そして、バイオチップにおける複数のスポットに光を照射し、これにより発生した蛍光を受光して、蛍光物質の存在する前記スポットを特定するバイオチップ読み取り装置であって、前記蛍光物質を励起可能なレーザ光を照射する半導体レーザと、前記半導体レーザから照射された前記レーザ光を、ガウシアン光からトップハット光に変換するビームシェーパーと、散乱した前記蛍光をコリメートするキャピラリプレートと、前記キャピラリプレートを通過した光のうち、前記レーザ光を遮断し、前記蛍光を透過する干渉フィルタと、前記干渉フィルタを透過した前記蛍光を受光するイメージセンサと、を有する構成とした。これにより、小型で低コストなバイオチップ読み取り装置を提供することができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
本発明に係るバイオチップ読み取り装置の好ましい実施の形態を、添付図面にしたがって詳細に説明する。なお以下に記載するのは本発明の実施形態の一態様にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではない。
【0014】
図1に、本実施形態に係るバイオチップ読み取り装置の側面図を示す。本実施形態に係るバイオチップ読み取り装置5は、バイオチップ1における複数のスポットに光を照射し、これにより発生した蛍光21を受光して、蛍光物質の存在するスポットを特定するバイオチップ読み取り装置5であって、蛍光物質を励起可能なレーザ光11を照射する半導体レーザ10と、半導体レーザ10から照射されたレーザ光11をガウシアン光からトップハット光に変換するビームシェーパー12と、散乱した蛍光21をコリメートするキャピラリプレート22と、キャピラリプレート22を通過した光のうちレーザ光11を遮断し蛍光21を透過する干渉フィルタ24と、干渉フィルタ24を透過した蛍光21を受光する電子冷却式CCD20と、を有するものである。
【0015】
半導体レーザ10は、バイオチップ1上に存在する蛍光物質を励起し得る波長のレーザ光を照射できるものを使用する。一例を挙げれば、波長532nmのレーザ光を照射し得る半導体レーザ10を使用する。
【0016】
半導体レーザ10の下流側に、ビームシェーパー12を設ける。ビームシェーパー12は、図2(1)に示すように強度分布するレーザ光などのガウシアン光を、図2(2)に示すように強度分布するトップハット光に変換するものである。ビームシェーパー12には、屈折方式および回折方式が存在する。屈折方式は、非球面レンズを使用するものである。すなわち、光密度の高いガウシアン光の中心部では光束を広げる凹レンズを使用し、光密度の低いガウシアン光の周辺部では光束を狭める凸レンズを使用して、光強度を均一化する(特開2002−139696号公報参照)。一方の回折方式は、回折型光学素子を使用するものである。すなわち、回折型光学素子(ホログラフィー素子)における結晶方位および空間周期を適当に設定することにより、入射波を所望の位置に回折して、光強度を均一化する(特開平8−94839号公報参照)。
【0017】
なお、ビームシェーパーの代わりにディフューザを使用した場合でも、トップハット光を得ることができる。ディフューザは、透明媒体にエッチングされた回折格子パターンで入射光を拡散し、均一な光を得るものである。
【0018】
一方、バイオチップ1のセット位置の下流側には、キャピラリプレート22を設置する。キャピラリプレート22は、厚さ0.4〜数十mmのガラス板に、直径数μmの微細孔を多数設けたものである。各微細孔は、キャピラリプレート22の表面に整列配置して、キャピラリプレート22の表面から垂直に形成する。一般にキャピラリプレートは気体流の整流やフィルタリングに使用されるが、板厚に対し孔径が非常に小さいことを利用して、散乱した蛍光から平行光を取り出すコリメータとしてキャピラリプレート22を使用する。これにより集光レンズを使用する必要がなくなるので、後述する電子冷却式CCD20等のイメージセンサをバイオチップ1に近接して配置することが可能となり、バイオチップ読み取り装置5を小型化することができる。
【0019】
キャピラリプレート22の下流側に、干渉フィルタ24を設置する。バイオチップ読み取り装置5では、レーザ光11に比べてはるかに微弱な蛍光21のみを撮像する必要がある。そこで干渉フィルタ24により、特定波長の蛍光21のみを透過させ、蛍光撮像の妨げとなるレーザ光11を遮断する。
【0020】
干渉フィルタ24は、透過させない波長の光を、吸収や散乱ではなく干渉によって除去している光学フィルタである。干渉フィルタには、金属干渉フィルタや全誘電体干渉フィルタなどがある。金属干渉フィルタは、ガラス基板の表面に、誘電体であるフッ化マグネシウムの薄膜と、半透明金属薄膜とを、交互に蒸着したものである。一方の全誘電体干渉フィルタは、金属薄膜の代わりに、硫化亜鉛や酸化セシウムなど高い屈折率を示す薄膜を蒸着した多層膜フィルタである。全誘電体干渉フィルタは、金属フィルタに比べて透過波長帯域を狭くすることが可能である。よって、透過光波長と遮断光波長とが相互に近接している場合には、全誘電体干渉フィルタが有効である。ここで、励起光波長と蛍光波長との差は、通常は20〜30nmであるが、6nm程度の場合もありうる。したがって本実施形態では、干渉フィルタ24を使用し、蛍光と、レーザ光としての励起光とが同時に撮像されても、蛍光がレーザ光に埋もれることを防止することができる。
【0021】
干渉フィルタ24の下流側には、イメージセンサを設置する。特に、微弱な蛍光を撮像するイメージセンサとして、電子冷却式CCD20を採用する。一般にCCDでは、光が入力されていない状態でも、暗電流と呼ばれるノイズ電流が出力される。光量が多い場合には暗電流は問題にならないが、微弱な蛍光を撮像する場合には暗電流が無視できなくなる。暗電流は主に熱により電荷が蓄積されて発生するので、CCDを冷却することにより暗電流を減少させることができる。その冷却方式として、液化窒素などによる冷却方式も存在するが、本実施形態では電子冷却方式を採用する。電子冷却方式は、ペルチェデバイスなどの熱電変換デバイスをCCDに装着する方式である。ペルチェデバイスとは、異種金属の接触面を通じて所定方向に直流電流を流すことにより、その接触面において熱を吸収するものであり、ヒートポンプとして作用する。なお、熱電変換デバイスに加えて、サーミスタなどの温度センサをCCDに取り付けて、CCDを一定の低温に保持する。このような電子冷却式CCD20を使用して暗電流を減少させることにより、長時間露光した場合でも高いS/N比を確保することが可能となる。上記のように構成した本実施形態に係るバイオチップ読み取り装置は、以下のようにして使用する。
【0022】
バイオチップ読み取り装置は、ハイブリダイゼーション工程を行った後に、バイオチップの各スポットにおけるハイブリダイゼーションの有無等を確認するバイオチップ読み取り工程で使用する。ハイブリダイゼーション工程では、既知の配列を有するDNAや蛋白質等(以下、プローブと呼ぶ)と、調査対象のDNAや蛋白質等(以下、試料と呼ぶ)とを、相補的に結合(ハイブリダイズ)させる。そのため、まずDNAチップやプロテインチップなどのバイオチップを形成する。バイオチップは、ガラス基板の表面に形成した多数のスポットに、それぞれ配列の異なるプローブを固定したものである。一方の試料には、蛍光物質により標識を施しておく。そして、このバイオチップおよび試料を反応容器に入れて、ハイブリダイゼーションを行う。これにより、相補的な配列を有するプローブおよび試料が、バイオチップにおける特定のスポット上で結合する。
【0023】
バイオチップ読み取り工程では、ハイブリダイゼーション工程に供したバイオチップを、図1に示すようにバイオチップ読み取り装置5に装着する。次に、半導体レーザ10を起動する。半導体レーザ10から照射されたレーザ光11は、図2(1)に示すように光強度がガウス分布するガウシアン光である。すなわち、光軸における強度がもっとも強く、光軸から離れるにしたがって強度が弱くなる。なお、このレーザ光11をそのままバイオチップ1に照射すると、バイオチップ1の周辺部に照射されるレーザ光の強度が弱くなり、周辺部のスポット2に存在する蛍光物質が励起できないことになる。そこで、半導体レーザ10から照射されたレーザ光11を、ビームシェーパー12に入射させる。ビームシェーパー12の内部では、レーザ光が非球面レンズや回折型光学素子を通過する際に、そのレーザ光の強度が均一化される。これによりレーザ光は、図2(1)に示すガウシアン光から、図2(2)に示すトップハット光に変換される。すなわち、光軸から所定距離の範囲内における強度が一定となり、半導体レーザ10を面光源として利用できるようになる。そして、ビームシェーパー12から出力されたレーザ光13を、バイオチップ1に照射する。これにより、バイオチップ1の各部に対して、同じ強度のレーザ光が照射される。したがって、バイオチップ1の各スポット2に存在する蛍光物質を確実に励起することができる。
【0024】
レーザ光によって励起された蛍光物質は、蛍光21を発生させる。なお、蛍光21は蛍光物質から散乱するので、これをそのままCCD等で撮像すると、どのスポット2に蛍光物質が存在するのか特定できないことになる。そこで、バイオチップ1の下流側にキャピラリプレート22を配置する。これにより、図3に示すように、散乱した蛍光21のうちバイオチップ1から垂直に放射された蛍光21aのみが、キャピラリプレート22の微細孔22aを通過する。そして、キャピラリプレート22を通過した蛍光21を撮像すれば、バイオチップ1におけるどのスポット2に蛍光物質が存在するのか特定することができる。
【0025】
ただし、バイオチップ1を透過したレーザ光11も、蛍光21とともにキャピラリプレート22の微細孔を通過する。なお、レーザ光11の強度は蛍光21に比べて非常に強いことから、CCD等による撮像結果において蛍光の受光を判別できないことになる。そこで、図1に示すように、キャピラリプレート22を透過した光を、干渉フィルタ24に入射させる。干渉フィルタ24は、キャピラリプレート22を透過した光のうち、蛍光21のみを透過し、レーザ光11を遮断する。
【0026】
そして、干渉フィルタ24を透過した蛍光を、電子冷却式CCD20によって受光する。電子冷却式CCD20は、熱電変換デバイスによりCCDを冷却しているので、暗電流を出力しない。したがって、受光した蛍光のみを出力することができる。これにより、バイオチップ1において蛍光物質の存在するスポットを特定することが可能となり、バイオチップ1の各スポットにおけるハイブリダイゼーションの有無等を確認することができる。
以上に詳述した本実施形態に係る構成により、バイオチップ読み取り装置を小型化することができる。
【0027】
すなわち、ビームシェーパーを用いることで、半導体レーザを面光源として使用することが可能となり、集光レンズおよびガルバノミラーを使用する必要がなくなる。これにより、バイオチップに近接して半導体レーザを配置することが可能となり、バイオチップ読み取り装置を小型化することができる。また、ガルバノミラーや連続光源など、取り扱いが複雑で高価な部品を使用する必要がなくなるので、低コストで信頼性の高いバイオチップ読み取り装置を提供することができる。
【0028】
また、キャピラリプレートを用いることで、散乱する蛍光をコリメートすることが可能となり、集光レンズを使用する必要がなくなる。これにより、バイオチップに近接して電子冷却式CCDを配置することが可能となり、バイオチップ読み取り装置を小型化することができる。このように、バイオチップに近接して励起光源および受光器を配置すれば、バイオチップ読み取り装置の高さを10cm程度とすることができる。
【0029】
以上により、小型で低コストなバイオチップ読み取り装置を提供することができるので、例えば臨床検査や食品検査などの分野にも、バイオチップ読み取り装置の利用範囲を拡大することができる。
【0030】
【発明の効果】
バイオチップにおける複数のスポットに光を照射し、これにより発生した蛍光を受光して、蛍光物質の存在する前記スポットを特定するバイオチップ読み取り装置であって、前記蛍光物質を励起可能なレーザ光を照射する半導体レーザと、前記半導体レーザから照射された前記レーザ光を、ガウシアン光からトップハット光に変換するビームシェーパーと、散乱した前記蛍光をコリメートするキャピラリプレートと、前記キャピラリプレートを通過した光のうち、前記レーザ光を遮断し、前記蛍光を透過する干渉フィルタと、前記干渉フィルタを透過した前記蛍光を受光するイメージセンサと、を有する構成としたので、小型で低コストなバイオチップ読み取り装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施形態に係るバイオチップ読み取り装置の側面図である。
【図2】(1)はガウシアン光の強度分布図であり、(2)はトップハット光の強度分布図である。
【図3】キャピラリプレートにおけるコリメート作用の説明図である。
【図4】従来技術に係るバイオチップ読み取り装置の説明図である。
【符号の説明】
1………バイオチップ、2………スポット、5………バイオチップ読み取り装置、10………半導体レーザ、11………レーザ光、12………ビームシェーパー、13………レーザ光、20………電子冷却式CCD、21………蛍光、22………キャピラリプレート、24………干渉フィルタ。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a biochip reader.
[0002]
[Prior art]
For the purpose of researching useful genes and diagnosing diseases, analysis of gene expression patterns and proteome analysis for elucidating the functions of proteins have been performed. For these analyses, a hybridization reaction is used. In the hybridization reaction, a DNA or protein having a known sequence (hereinafter, referred to as a probe) and a DNA or protein to be investigated (hereinafter, referred to as a sample) are complementarily bound (hybridized). It is. As a specific method, first, a biochip such as a DNA chip or a protein chip is formed. The biochip has a plurality of spots formed on the surface of a glass substrate on which probes having different arrangements are fixed. One sample is labeled with a fluorescent substance. Then, the biochip and the sample are placed in a reaction vessel and hybridization is performed. Thereafter, the biochip is irradiated with light to excite the fluorescent substance, and the intensity of the fluorescence emitted from each spot is measured to confirm the presence or absence of hybridization at each spot. Thereby, various analyzes relating to DNA, protein, and the like can be performed.
[0003]
This fluorescence measurement method includes the following two methods. FIG. 4 is an explanatory diagram of the first method. In the first method, a semiconductor laser 110 irradiates a laser beam 111 having an excitation wavelength of a fluorescent substance with a semiconductor laser 110, and the laser beam 111 is condensed by a condenser lens 114 and further reflected by a galvanomirror 116, and Is scanned. At the spot 102 where the hybridization has been performed on the biochip 101, the fluorescent substance is excited by the laser light to generate fluorescence 121. The scattered fluorescent light 121 is collected by the lens 126 and received by the photomultiplier 120 or the like. In the second method, an excitation light is created by combining a continuous light source such as xenon and an optical bandpass filter, and the excitation light is irradiated onto a biochip. Further, the fluorescent light scattered from each spot of the biochip is condensed by a lens, and is received two-dimensionally by a cooled CCD or the like.
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-11-094747 (FIGS. 1 and 2)
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In the first method described above, a condenser lens is used for condensing irradiated laser light and condensing scattered fluorescence. Since the condenser lens generally requires a long focal length (about several cm to 10 cm), there is a problem that the biochip reader becomes large. Further, the galvanomirror that scans the biochip with a laser has difficulty in setting the optical axis and timing, and has a problem that the biochip reader becomes complicated.
[0006]
In the above-described second method, a continuous light source such as xenon is used. However, a high-luminance continuous light source is required, and there is a problem that a biochip reader becomes large and expensive. In addition, a continuous light source such as xenon generates a large amount of heat and has a risk of damaging DNA or the like. Therefore, there is a problem that the size of the biochip reader increases. On the other hand, since a condensing lens is used for condensing the scattered fluorescence, there is still a problem that the biochip reader becomes large.
[0007]
As described above, there is a problem that the size of the biochip reader is increased or the cost is increased, regardless of which method is used. Therefore, the biochip reader could not be used in some clinical tests and food tests.
The present invention has been made in view of the above problems, and has as its object to provide a small and low-cost biochip reader.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a biochip reader according to the present invention irradiates a plurality of spots on a biochip with light, receives fluorescence generated thereby, and identifies the spot where a fluorescent substance is present. A chip reader, comprising: a semiconductor laser that irradiates laser light capable of exciting the fluorescent substance; and a beam shaper that converts the laser light irradiated from the semiconductor laser from Gaussian light to top hat light. Configuration.
[0009]
By using a beam shaper, a semiconductor laser can be used as a surface light source, and it is not necessary to use a condenser lens and a galvanomirror. Thus, the semiconductor laser can be arranged close to the biochip, and the size of the biochip reader can be reduced. In addition, since it is not necessary to use expensive and complicated components such as a galvanometer mirror and a continuous light source, a low-cost and highly reliable biochip reader can be provided.
[0010]
A biochip reader for irradiating a plurality of spots on a biochip with light, receiving fluorescence generated thereby, and identifying the spot where a fluorescent substance is present, wherein the capillary collimates the scattered fluorescence. A plate, among light passing through the capillary plate, an interference filter that blocks light that excites the fluorescent substance and transmits the fluorescence, and an image sensor that receives the fluorescence that has passed through the interference filter. Configuration.
[0011]
By using a capillary plate, it becomes possible to collimate the scattered fluorescence, and it is not necessary to use a condenser lens. This makes it possible to dispose the image sensor close to the biochip, and to reduce the size of the biochip reader.
[0012]
A biochip reader that irradiates a plurality of spots on the biochip with light, receives fluorescence generated thereby, and specifies the spot where a fluorescent substance is present, wherein the laser can excite the fluorescent substance. A semiconductor laser for irradiating light, a beam shaper for converting the laser light emitted from the semiconductor laser from Gaussian light to top hat light, a capillary plate for collimating the scattered fluorescence, and a light passing through the capillary plate Among the light, an interference filter that blocks the laser light and transmits the fluorescence, and an image sensor that receives the fluorescence transmitted through the interference filter are provided. Thereby, a small and low-cost biochip reader can be provided.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Preferred embodiments of a biochip reader according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Note that what is described below is merely an embodiment of the present invention, and the present invention is not limited thereto.
[0014]
FIG. 1 shows a side view of the biochip reader according to the present embodiment. The biochip reader 5 according to the present embodiment irradiates a plurality of spots on the biochip 1 with light, receives the fluorescent light 21 generated thereby, and specifies the spot where the fluorescent substance is present. A semiconductor laser 10 for irradiating a laser beam 11 capable of exciting a fluorescent substance, a beam shaper 12 for converting the laser beam 11 emitted from the semiconductor laser 10 from Gaussian light to a top hat light, and a scattered fluorescence 21 A capillary plate 22 for collimating the light, an interference filter 24 for blocking the laser light 11 and transmitting the fluorescent light 21 out of the light passing through the capillary plate 22, an electronically cooled CCD 20 for receiving the fluorescent light 21 transmitted through the interference filter 24, It has.
[0015]
As the semiconductor laser 10, a laser capable of irradiating a laser beam having a wavelength capable of exciting a fluorescent substance existing on the biochip 1 is used. For example, a semiconductor laser 10 that can emit laser light having a wavelength of 532 nm is used.
[0016]
A beam shaper 12 is provided downstream of the semiconductor laser 10. The beam shaper 12 converts Gaussian light such as laser light having an intensity distribution as shown in FIG. 2A into top hat light having an intensity distribution as shown in FIG. The beam shaper 12 includes a refraction method and a diffraction method. The refraction method uses an aspheric lens. That is, the light intensity is made uniform by using a concave lens that expands the light flux at the center of the Gaussian light with a high light density and using a convex lens that narrows the light flux at the periphery of the Gaussian light with a low light density (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-2002). 139696). One diffraction method uses a diffraction type optical element. That is, by appropriately setting the crystal orientation and the spatial period in a diffractive optical element (holographic element), an incident wave is diffracted to a desired position and the light intensity is made uniform (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-94839). ).
[0017]
Note that, even when a diffuser is used instead of the beam shaper, top hat light can be obtained. The diffuser diffuses incident light with a diffraction grating pattern etched on a transparent medium to obtain uniform light.
[0018]
On the other hand, a capillary plate 22 is provided downstream of the set position of the biochip 1. The capillary plate 22 is formed by providing a glass plate having a thickness of 0.4 to several tens mm with a large number of micro holes having a diameter of several μm. Each of the micro holes is aligned with the surface of the capillary plate 22 and is formed vertically from the surface of the capillary plate 22. In general, a capillary plate is used for rectification and filtering of a gas flow, and the capillary plate 22 is used as a collimator for extracting parallel light from scattered fluorescence by utilizing the fact that the hole diameter is extremely small with respect to the plate thickness. This eliminates the need to use a condenser lens, so that an image sensor such as an electronically cooled CCD 20 described later can be arranged close to the biochip 1, and the biochip reader 5 can be downsized. .
[0019]
An interference filter 24 is provided downstream of the capillary plate 22. In the biochip reader 5, it is necessary to image only the fluorescent light 21 which is much weaker than the laser light 11. Therefore, the interference filter 24 allows only the fluorescent light 21 of a specific wavelength to pass therethrough, and blocks the laser light 11 that hinders the fluorescent imaging.
[0020]
The interference filter 24 is an optical filter that removes light of a wavelength that is not transmitted by interference instead of absorption or scattering. The interference filters include a metal interference filter and an all-dielectric interference filter. The metal interference filter is obtained by alternately depositing a thin film of magnesium fluoride as a dielectric and a translucent metal thin film on a surface of a glass substrate. One all-dielectric interference filter is a multilayer filter in which a thin film having a high refractive index such as zinc sulfide or cesium oxide is deposited instead of a metal thin film. The all-dielectric interference filter can make the transmission wavelength band narrower than the metal filter. Therefore, when the transmitted light wavelength and the cutoff light wavelength are close to each other, an all-dielectric interference filter is effective. Here, the difference between the excitation light wavelength and the fluorescence wavelength is usually 20 to 30 nm, but may be about 6 nm. Therefore, in the present embodiment, the fluorescence can be prevented from being buried in the laser light even when the fluorescence and the excitation light as the laser light are simultaneously imaged by using the interference filter 24.
[0021]
An image sensor is provided downstream of the interference filter 24. In particular, an electronically cooled CCD 20 is employed as an image sensor for imaging weak fluorescence. In general, a CCD outputs a noise current called a dark current even when light is not input. When the amount of light is large, the dark current does not matter, but when imaging weak fluorescence, the dark current cannot be ignored. Since the dark current is mainly generated by accumulating electric charge by heat, the dark current can be reduced by cooling the CCD. As a cooling method, there is a cooling method using liquefied nitrogen or the like, but in this embodiment, an electronic cooling method is employed. The electronic cooling system is a system in which a thermoelectric conversion device such as a Peltier device is mounted on a CCD. The Peltier device absorbs heat at the contact surface by flowing a direct current through a contact surface of a dissimilar metal in a predetermined direction, and functions as a heat pump. In addition to the thermoelectric conversion device, a temperature sensor such as a thermistor is attached to the CCD to keep the CCD at a constant low temperature. By using such an electronically cooled CCD 20 to reduce dark current, it is possible to secure a high S / N ratio even after long-time exposure. The biochip reader according to the present embodiment configured as described above is used as follows.
[0022]
After performing the hybridization step, the biochip reader is used in the biochip reading step for checking the presence or absence of hybridization at each spot of the biochip. In the hybridization step, DNA or protein having a known sequence (hereinafter, referred to as a probe) and DNA or protein to be investigated (hereinafter, referred to as a sample) are complementarily bound (hybridized). Therefore, first, a biochip such as a DNA chip or a protein chip is formed. The biochip has a plurality of spots formed on the surface of a glass substrate on which probes having different arrangements are fixed. One sample is labeled with a fluorescent substance. Then, the biochip and the sample are placed in a reaction vessel and hybridization is performed. This causes probes and samples having complementary sequences to bind on specific spots on the biochip.
[0023]
In the biochip reading step, the biochip subjected to the hybridization step is mounted on the biochip reader 5 as shown in FIG. Next, the semiconductor laser 10 is started. The laser beam 11 emitted from the semiconductor laser 10 is a Gaussian beam whose light intensity has a Gaussian distribution as shown in FIG. That is, the intensity at the optical axis is the strongest, and the intensity decreases as the distance from the optical axis increases. If the laser light 11 is directly irradiated on the biochip 1, the intensity of the laser light irradiated on the peripheral part of the biochip 1 becomes weak, and the fluorescent substance existing in the spot 2 on the peripheral part cannot be excited. Then, the laser beam 11 emitted from the semiconductor laser 10 is made incident on the beam shaper 12. Inside the beam shaper 12, when the laser light passes through an aspheric lens or a diffractive optical element, the intensity of the laser light is made uniform. Thereby, the laser light is converted from the Gaussian light shown in FIG. 2A to the top hat light shown in FIG. That is, the intensity becomes constant within a predetermined distance from the optical axis, and the semiconductor laser 10 can be used as a surface light source. Then, the biochip 1 is irradiated with the laser light 13 output from the beam shaper 12. Thereby, each part of the biochip 1 is irradiated with the laser light of the same intensity. Therefore, the fluorescent substance present in each spot 2 of the biochip 1 can be excited reliably.
[0024]
The fluorescent substance excited by the laser light generates fluorescent light 21. Since the fluorescent light 21 is scattered from the fluorescent material, if the fluorescent light 21 is imaged as it is with a CCD or the like, it cannot be specified in which spot 2 the fluorescent material exists. Therefore, the capillary plate 22 is arranged downstream of the biochip 1. Thereby, as shown in FIG. 3, only the fluorescent light 21 a vertically emitted from the biochip 1 among the scattered fluorescent light 21 passes through the fine holes 22 a of the capillary plate 22. Then, by imaging the fluorescence 21 that has passed through the capillary plate 22, it is possible to specify which spot 2 on the biochip 1 contains the fluorescent substance.
[0025]
However, the laser light 11 transmitted through the biochip 1 also passes through the fine holes of the capillary plate 22 together with the fluorescent light 21. Since the intensity of the laser light 11 is much higher than the intensity of the fluorescent light 21, it is impossible to determine the reception of the fluorescent light in the result of imaging by a CCD or the like. Therefore, as shown in FIG. 1, the light transmitted through the capillary plate 22 is made incident on the interference filter 24. The interference filter 24 transmits only the fluorescent light 21 out of the light transmitted through the capillary plate 22 and blocks the laser light 11.
[0026]
Then, the fluorescence transmitted through the interference filter 24 is received by the electronically cooled CCD 20. The electronically cooled CCD 20 does not output dark current because the CCD is cooled by the thermoelectric conversion device. Therefore, only the received fluorescence can be output. This makes it possible to identify spots on the biochip 1 where the fluorescent substance is present, and to check the presence or absence of hybridization at each spot on the biochip 1.
With the configuration according to the present embodiment described in detail above, the size of the biochip reader can be reduced.
[0027]
That is, by using a beam shaper, a semiconductor laser can be used as a surface light source, and it is not necessary to use a condenser lens and a galvanomirror. Thereby, the semiconductor laser can be arranged close to the biochip, and the biochip reader can be downsized. In addition, since it is not necessary to use expensive and complicated components such as a galvanometer mirror and a continuous light source, a low-cost and highly reliable biochip reader can be provided.
[0028]
Also, by using a capillary plate, it becomes possible to collimate the scattered fluorescence, and it is not necessary to use a condenser lens. This makes it possible to arrange the electronically cooled CCD near the biochip, and to reduce the size of the biochip reader. As described above, if the excitation light source and the light receiver are arranged close to the biochip, the height of the biochip reader can be reduced to about 10 cm.
[0029]
As described above, a small-sized and low-cost biochip reader can be provided. Therefore, the range of use of the biochip reader can be expanded to fields such as clinical inspection and food inspection.
[0030]
【The invention's effect】
A biochip reader that irradiates a plurality of spots on a biochip with light, receives the fluorescence generated thereby, and specifies the spot where a fluorescent substance is present, and emits a laser beam capable of exciting the fluorescent substance. A semiconductor laser for irradiation, a beam shaper for converting the laser light emitted from the semiconductor laser from Gaussian light to top hat light, a capillary plate for collimating the scattered fluorescence, and a light beam passing through the capillary plate. Among them, an interference filter that blocks the laser beam and transmits the fluorescent light, and an image sensor that receives the fluorescent light transmitted through the interference filter, has a configuration that includes a small and low-cost biochip reader. Can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view of a biochip reader according to an embodiment.
FIG. 2A is an intensity distribution diagram of Gaussian light, and FIG. 2B is an intensity distribution diagram of top hat light.
FIG. 3 is an explanatory diagram of a collimating action in a capillary plate.
FIG. 4 is an explanatory view of a biochip reader according to the related art.
[Explanation of symbols]
1 biochip, 2 spot, 5 biochip reader, 10 semiconductor laser, 11 laser light, 12 beam shaper, 13 laser light, 20 ... Electro-cooled CCD, 21 ... Fluorescence, 22 ... Capillary plate, 24 ... Interference filter.

Claims (3)

バイオチップにおける複数のスポットに光を照射し、これにより発生した蛍光を受光して、蛍光物質の存在する前記スポットを特定するバイオチップ読み取り装置であって、
前記蛍光物質を励起可能なレーザ光を照射する半導体レーザと、
前記半導体レーザから照射された前記レーザ光を、ガウシアン光からトップハット光に変換するビームシェーパーと、
を有することを特徴とするバイオチップ読み取り装置。
A biochip reader that irradiates a plurality of spots on the biochip with light, receives fluorescence generated thereby, and specifies the spot where a fluorescent substance is present,
A semiconductor laser that emits a laser beam capable of exciting the fluorescent substance,
A beam shaper that converts the laser light emitted from the semiconductor laser from Gaussian light to top hat light,
A biochip reader, comprising:
バイオチップにおける複数のスポットに光を照射し、これにより発生した蛍光を受光して、蛍光物質の存在する前記スポットを特定するバイオチップ読み取り装置であって、
散乱した前記蛍光をコリメートするキャピラリプレートと、
前記キャピラリプレートを通過した光のうち、前記蛍光物質を励起する光を遮断し、前記蛍光を透過する干渉フィルタと、
前記干渉フィルタを透過した前記蛍光を受光するイメージセンサと、
を有することを特徴とするバイオチップ読み取り装置。
A biochip reader that irradiates a plurality of spots on the biochip with light, receives fluorescence generated thereby, and specifies the spot where a fluorescent substance is present,
A capillary plate for collimating the scattered fluorescence,
Among the light that has passed through the capillary plate, an interference filter that blocks light that excites the fluorescent substance and transmits the fluorescence,
An image sensor that receives the fluorescence transmitted through the interference filter;
A biochip reader, comprising:
バイオチップにおける複数のスポットに光を照射し、これにより発生した蛍光を受光して、蛍光物質の存在する前記スポットを特定するバイオチップ読み取り装置であって、
前記蛍光物質を励起可能なレーザ光を照射する半導体レーザと、
前記半導体レーザから照射された前記レーザ光を、ガウシアン光からトップハット光に変換するビームシェーパーと、
散乱した前記蛍光をコリメートするキャピラリプレートと、
前記キャピラリプレートを通過した光のうち、前記レーザ光を遮断し、前記蛍光を透過する干渉フィルタと、
前記干渉フィルタを透過した前記蛍光を受光するイメージセンサと、
を有することを特徴とするバイオチップ読み取り装置。
A biochip reader that irradiates a plurality of spots on the biochip with light, receives fluorescence generated thereby, and specifies the spot where a fluorescent substance is present,
A semiconductor laser that emits a laser beam capable of exciting the fluorescent substance,
A beam shaper that converts the laser light emitted from the semiconductor laser from Gaussian light to top hat light,
A capillary plate for collimating the scattered fluorescence,
Among the light that has passed through the capillary plate, an interference filter that blocks the laser light and transmits the fluorescence,
An image sensor that receives the fluorescence transmitted through the interference filter;
A biochip reader, comprising:
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