JP2009069011A - Reaction control apparatus and method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、反応制御装置及び反応制御方法に関する。より詳しくは、基板上で所定反応を行なう技術に関する。 The present invention relates to a reaction control device and a reaction control method. More specifically, the present invention relates to a technique for performing a predetermined reaction on a substrate.
近年、ガラスやプラスチック等の基板に微細流路が構成し、そこで化学反応や生化学反応等が行なわれている。このような微細流路内で化学反応や医療診断等を行なうことができれば、サンプルの少量化や網羅的な解析が可能となる。特に、マイクロ流路を用いた分析システムであるμTAS(Total Analysis System)やLab−on−a-chip等のバイオ・化学アプリケーションとしての応用が期待されている。 In recent years, a fine flow path is formed on a substrate such as glass or plastic, and a chemical reaction or a biochemical reaction is performed there. If a chemical reaction, medical diagnosis, or the like can be performed in such a fine flow path, it is possible to reduce the amount of samples and perform comprehensive analysis. In particular, it is expected to be applied as a bio / chemical application such as μTAS (Total Analysis System) which is an analysis system using a micro flow channel and Lab-on-a-chip.
マイクロスケールでの分析が可能となることで、微量にしか存在しないサンプルであっても十分に分析することが可能となる。例えば、PCR(Polymerase Chain Reaction)法では、目的のDNA断片を数十万倍に増幅させる手法への応用が挙げられる。微量にしか存在しないDNAの目的部分を増幅できるため、塩基配列の解析に多大な効果が期待できる。 Since analysis on a micro scale becomes possible, even a sample that exists only in a minute amount can be sufficiently analyzed. For example, the PCR (Polymerase Chain Reaction) method can be applied to a method of amplifying a target DNA fragment several hundred thousand times. Since the target portion of DNA that exists only in a trace amount can be amplified, a great effect can be expected in the analysis of the base sequence.
しかし、マイクロスケールで反応を行なうには、そのスケール故に表面積の影響が大きい。そのため高精度の反応制御が求められている。例えば、反応の温度条件をより高精度に制御する必要がある。これに関して、特許文献1には、マイクロチップ微細流路内液相の温度の測定と制御に関する技術が開示されている。そのなかで、赤外線レーザーを用いて液相を加熱する技術も開示されている。
However, in order to carry out the reaction on a micro scale, the influence of the surface area is large because of the scale. Therefore, highly accurate reaction control is required. For example, it is necessary to control the temperature condition of the reaction with higher accuracy. In this regard,
また、微小流路の高機能化を図ることで反応制御や反応効率を改善することが試みられている。マイクロスケールでは、流路表面やその表面積が反応に大きな影響を与える。このため流路表面の表面処理や化学修飾等が行われている。特許文献2には、マイクロリアクターの表面処理に関して、マイクロリアクターの内部は親水性を、その周辺部は撥水性を発現する処理を施すことで、試料導入が容易となり、反応の高効率化を図る技術等が開示されている。
In addition, attempts have been made to improve reaction control and reaction efficiency by increasing the functionality of microchannels. In the micro scale, the flow path surface and its surface area have a great influence on the reaction. For this reason, surface treatment or chemical modification of the channel surface is performed. In
ここで、流路基板上で所定反応を行なう反応制御装置に関する従来の一例について図12を参照しながら説明する。図12の符号8は、従来の反応制御装置を示している。該反応制御装置8は、基板80と熱源用光源81aと検出用光源81b,81cとを備えている。例えば、光源81bの光照射では、フォーカスやトラッキングを行うことができる。
Here, a conventional example relating to a reaction control device that performs a predetermined reaction on a flow path substrate will be described with reference to FIG. The code |
そして、基板80は所定反応を行なう微細流路が設けられた基板である。熱源用光源81aからは光熱効果によって試料を加熱するための加熱用レーザーが照射される。そして、この流路中には、蛍光色素でラベリングされた試料が存在しており、所定温度で加熱されることで反応が進行する。検出用光源81b,81cは前記蛍光色素を励起させる励起光が照射される。加熱用光源81aと検出用光源81b,81cから夫々照射された光は、同一光軸上を走り、対物レンズ83により基板80上の流路に集光・照射される。これにより、試料の加熱と蛍光発光の検出が行われる。発光した蛍光をCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)85等の撮像素子により観察することで、リアルタイムで所定反応を解析できる。
The
このような基板上で反応を行なうにあたっては、反応を高精度に制御する必要がある。特に、装置内に設置した基板の位置ずれは反応効率や測定精度に大きな影響を与えかねない。そこで、本発明は、基板上で所定反応を行なう反応制御装置に関して、基板の位置制御を高精度で行なうことができる反応制御装置を提供することを主な目的とする。 In performing the reaction on such a substrate, it is necessary to control the reaction with high accuracy. In particular, the displacement of the substrate installed in the apparatus may have a great influence on the reaction efficiency and measurement accuracy. Therefore, the present invention mainly relates to a reaction control apparatus that performs a predetermined reaction on a substrate, and provides a reaction control apparatus that can perform position control of the substrate with high accuracy.
まず、本発明は、基板に設けられた反応領域で所定の反応を行なう反応制御装置であって、前記反応領域と、該反応領域に光を導入する光学素子とを備えた基板と、前記反応領域内の試料に光照射を行う光源と、前記反応領域に照射された光を受光することで、反応制御装置内における前記基板の位置ずれを検出する位置検出部と、前記基板の位置ずれを修正する位置補正手段とを備えた反応制御装置を提供する。基板に光学素子を設けることで、位置検出部により光照射の目標スポットと実際に照射されている照射スポットとのずれを検出することができる。これにより、基板が目標とする設置位置からどの程度ずれて設置されているかを検出できる。そして、この検出結果に基づいて基板の位置ずれを修正できるため、正確な基板の位置制御が可能となる。
次に、本発明は、前記反応領域を加熱する熱源として前記光源を用いる加熱部を備えた反応制御装置を提供する。反応領域の加熱を光照射により行うことで、反応領域の液体試料またはその近傍壁面を直接加熱できるため加熱効率がよい。また、光照射に用いる光源は高速且つ高精度なエネルギー制御が可能であり、高精度な温度制御を行うことができる。
続いて、本発明は、前記光学素子は、基板表面に設けられた光学レンズである反応制御装置を提供する。反応領域を備えた基板に光学レンズを備えることで、基板のずれがそのまま照射スポットのずれとして検出できる。これにより、より正確に基板の位置ずれを検出できる。その結果、より正確な位置制御が可能となる。
そして、本発明は、前記位置検出部は、1の反応領域に対して複数の受光素子が設けられ、各受光素子により前記光の照射スポットを検出する反応制御装置を提供する。複数の受光素子を設けて、これらの受光素子が光を受光することでより正確な照射スポットを検出できる。これによりより正確な位置情報を検出できる。その結果、より正確に基板の位置ずれを検出できる。
更に、本発明は、位置検出部は特定波長の光を透過するフィルターを備えた反応制御装置を提供する。受光する光のノイズをカットできるため、光の検出精度を更に向上させることができる。
そして、本発明は、前記光源と前記基板との間に集光レンズを備え、前記光源から照射された光が、所定の目標スポットに照射されるよう前記集光レンズを移動させる照射制御手段を、更に備えた反応制御装置を提供する。前記の位置補正手段に加えて、光学系の照射調節も行うことで、所定の目標スポットに光照射を行う場合において、照射するエネルギーを正確に制御できる。
また、本発明は、前記反応領域内の試料に測定光を照射する測定用光源と、前記測定光が前記試料に照射されることで発生する検出光を検出する測定部とを更に備えた反応制御装置を提供する。測定光も正確に照射できるため、より測定精度が高い反応制御装置とすることができる。
更に、基板に設けられた反応領域で所定の反応を行なう反応制御方法であって、前記反応領域と、該反応領域に光を導入する光学素子とを備えた基板に対して、光を照射し、前記反応領域に照射された光を光検出部にて受光することで、前記基板の位置ずれを検出し、前記基板の位置ずれを修正することを少なくとも行う反応制御方法を提供する。
First, the present invention provides a reaction control device that performs a predetermined reaction in a reaction region provided on a substrate, the substrate including the reaction region and an optical element that introduces light into the reaction region, and the reaction A light source that irradiates the sample in the region with light, a position detector that detects the displacement of the substrate in the reaction control device by receiving the light irradiated on the reaction region, and a displacement of the substrate. There is provided a reaction control device including a position correcting means for correcting. By providing an optical element on the substrate, the position detection unit can detect a deviation between the target spot of light irradiation and the irradiation spot actually irradiated. Thereby, it is possible to detect how much the substrate is installed with a deviation from the target installation position. And since the position shift of a board | substrate can be corrected based on this detection result, exact position control of a board | substrate is attained.
Next, this invention provides the reaction control apparatus provided with the heating part which uses the said light source as a heat source which heats the said reaction area | region. By heating the reaction region by light irradiation, the liquid sample in the reaction region or the wall surface in the vicinity thereof can be directly heated, so that the heating efficiency is good. In addition, the light source used for light irradiation can perform high-speed and high-precision energy control, and can perform high-precision temperature control.
Then, this invention provides the reaction control apparatus whose said optical element is an optical lens provided in the substrate surface. By providing the optical lens on the substrate having the reaction region, the deviation of the substrate can be detected as the deviation of the irradiation spot as it is. Thereby, the position shift of the substrate can be detected more accurately. As a result, more accurate position control is possible.
In the present invention, the position detection unit is provided with a plurality of light receiving elements for one reaction region, and provides a reaction control device that detects an irradiation spot of the light by each light receiving element. By providing a plurality of light receiving elements and receiving light, these light receiving elements can detect a more accurate irradiation spot. Thereby, more accurate position information can be detected. As a result, the position shift of the substrate can be detected more accurately.
Furthermore, the present invention provides a reaction control device in which the position detection unit includes a filter that transmits light of a specific wavelength. Since the noise of the received light can be cut, the light detection accuracy can be further improved.
The present invention further includes an irradiation control unit that includes a condensing lens between the light source and the substrate, and moves the condensing lens so that light emitted from the light source is irradiated to a predetermined target spot. And a reaction control apparatus further provided. In addition to the position correction means, by adjusting the irradiation of the optical system, it is possible to accurately control the irradiation energy when light irradiation is performed on a predetermined target spot.
The present invention further includes a measurement light source that irradiates the sample in the reaction region with measurement light, and a measurement unit that detects detection light generated by irradiating the sample with the measurement light. A control device is provided. Since measurement light can also be accurately irradiated, a reaction control device with higher measurement accuracy can be obtained.
Furthermore, a reaction control method for performing a predetermined reaction in a reaction region provided on the substrate, the substrate including the reaction region and an optical element that introduces light into the reaction region is irradiated with light. There is provided a reaction control method for at least performing detection of positional deviation of the substrate and correction of positional deviation of the substrate by receiving light applied to the reaction region by a light detection unit.
本発明によれば、基板上で所定反応を行なうに際して、基板について高精度の位置制御が可能となる。 According to the present invention, when a predetermined reaction is performed on a substrate, it is possible to control the position of the substrate with high accuracy.
以下、添付図面に基づいて、本発明に係る反応制御装置及び反応制御方法について説明する。なお、添付図面に示された各実施形態は、本発明の代表例を示したものであり、これにより本発明の範囲が狭く解釈されることはない。 Hereinafter, a reaction control device and a reaction control method according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In addition, each embodiment shown by the attached drawing shows the typical example of this invention, and, thereby, the range of this invention is not interpreted narrowly.
図1は、本発明に係る反応制御装置の第1実施形態の簡略側面図である。図1中の符号1は、本発明に係る反応制御装置を示している。この反応制御装置1のサイズや装置構成等は、本発明の目的に沿う範囲で、使用目的の応じて適宜に設計又は変更可能である。なお、以下に使用する図面では、説明の便宜上、装置の構成等については簡素化して示している。
FIG. 1 is a simplified side view of a first embodiment of a reaction control device according to the present invention. The code |
前記反応制御装置1は、基板10と、光源12と集光レンズ12と光検出部16とを備えている。基板10の反応領域Aで所定反応を行う。反応制御装置1は、基板10の反応領域Aに光源12から光L11を照射し、反応領域Aを通過した光L12を光検出部16で受光する。光L12を実際に受光した位置が、本来受光すべき位置(目標位置)からどの程度ずれているかを検出すること等により、基板10の位置ずれを検出する。
The
基板10は、基板本体100と光学素子層102とから形成されており、複数の反応領域Aを備えている。基板本体100は反応領域Aに即した形状であり、これを光学素子層102によって被覆することで、反応領域Aに相当する空間を形成している。そして、光学素子層102は光学素子1022を備えている。
The
基板本体100の材料は限定されず、例えば、種々の合成樹脂、ガラス等を用いることができ、例えば、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)、ポリジメチルシロキサン(PDMS)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリカーボネート、ホウ珪酸ガラス、石英ガラス等を用いることができる。そのなかでも、好適には、光透過性に優れた材料であることが望ましく、具体的には、ポリメタクリル酸メチル、低蛍光発光プラスチック材料、ホウ珪酸ガラス、石英ガラス等を用いることが望ましい。
The material of the
光学素子層102は、光学素子1022を備えている。本発明では、基板10に何らかの光学素子を備えていればよく、その構成等は限定されない。更に、光学素子1022を有する部材を必ずしも層状とすることにも限定されないが、光学素子層102によって基板本体100をシーリングすることもできるため好適である。そして、光学素子1022を基板10(あるいは基板本体100)に直接設けても良いことはもちろんである。
The
光学素子層102の材料は、特に限定されず、、例えば、種々の合成樹脂、ガラス等を用いることができ、例えば、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)、ポリジメチルシロキサン(PDMS)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリカーボネート、ホウ珪酸ガラス、石英ガラス等を用いることができる。そのなかでも、好適には、光透過性に優れた材料であることが望ましく、具体的には、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)、低蛍光発光プラスチック材料、ホウ珪酸ガラス、石英ガラス等であることが望ましい。
The material of the
本発明では、基板10に光学素子1022を設けることによって、光検出部16で光L12を受光することでより基板10の位置ずれを検出可能とできる。即ち、光学素子1022は基板10と一体であるため、基板10の位置ずれと同様に光学素子1022も位置ずれする。従って、光学素子1022の位置ずれに対応して、光L12の照射スポットの位置や大きさが変化する。これを検出することで、基板10の位置を検出するものである。従って、基板10(基板本体100)に光学素子1022を固着させることで一体性を向上させることが望ましい。これにより、位置ずれの検出精度を向上させることができる。
In the present invention, by providing the
光学素子1022は、反応領域Aに光を導入することができればよく、その種類等は限定されない。例えば、レンズ、プリズム、鏡、回折格子等を適宜用いて反応領域Aに光L11を導入できるが、好適には、光学レンズを用いることが望ましい。光学素子1022として光学レンズを用いることで、各反応領域Aに対応する位置に光学レンズを容易に固着できるため望ましい。光学素子1022の材料についても限定されず、例えば、シリコンやフッ化カルシウム等の結晶材料や、合成石英等のガラス材料等を用いることができる。更に、必要に応じて、複数の光学素子を併用することもできる。
The
基板10の形状や大きさ等については限定されず、例えば、基板10において反応領域Aをマトリクス状に配置し、これに対応して光学素子1022を夫々設けることができる。そして、基板10をアレイ状のマイクロチップとすることもできる。また、基板10は、反応領域Aを複数備えている必要はなく、使用目的等によっては、1つの反応領域のみを有する構成であってもよい。
The shape, size, and the like of the
反応領域Aは微小なマイクロ空間として、これをアレイ状に配置する構成とすることが望ましい。このような形状とすることで、例えば、人の遺伝子数に匹敵する数の反応領域Aを基板10に設けることができる。そして、例えば、反応領域Aを300μm×300μm×300μm(27nL容量)とし、約4万個のウェルを並べるとすると、約6cm角の面積の小型デバイスとすることができる。これによって、所望の各種反応や分析を網羅的に行なうことが可能となる。
It is desirable that the reaction area A be a micro space that is arranged in an array. By adopting such a shape, for example, the number of reaction regions A comparable to the number of human genes can be provided on the
光源12は特に限定されないが、照射する光L11の指向性や収束性が良好であることが望ましく、好適には半導体レーザー(LD;laser diode)又は発光ダイオード(LED)光源であることが望ましい。特に、LD光源やLED光源を用いる場合は、高速かつ高精度なエネルギー制御が可能であり、より高精度な温度制御が可能である。そして、光源12は、使用目的等を考慮して適宜好適な光源を選択することができる。従って、光源12は、基板10の位置検出を行うためだけの目的に限定されず、より好適には、反応領域Aを加熱する熱源として用いることが望ましい。また、反応領域A内の試料の光学的分析(例えば、蛍光分析、散乱光分析、赤外分光、紫外分光等)を行う場合には、その測定用光源として用いることもできる。
The
本発明では、反応領域Aの加熱を光源12の光L11によって行うことが特に望ましい。あるいは、光源12を位置検出用や測定用の光源として用い、別途に熱源用の光源を設けてもよい。例えば、ヒーター等の発熱体を用いて反応領域Aを加熱することもできるが、基板本体100等を介して熱伝導するため、加熱効率が低下する場合がある。また、隣接する反応領域A同士が熱伝導により互いに干渉してしまい、温度の影響を受けてしまうといった問題もある。更に、厳密な温度制御を望む場合には、あらかじめ基板10を所定の温度となるようにあたためる必要がある。
In the present invention, it is particularly desirable to heat the reaction region A with the light L11 of the
これに関して、本発明では、光源12から照射する光L11の光熱効果を利用して加熱することで、直接反応領域A内に存在する試料に光熱を伝達することができる。更に、本発明の反応制御装置によれば、基板の光学系の制御をより高精度に行なうことができるため、所望の照射スポットに正確に光照射できる。その結果、隣接する反応領域A同士が熱干渉することもなく、より正確な温度制御が可能となる。
In this regard, in the present invention, the light heat can be directly transmitted to the sample existing in the reaction region A by heating using the photothermal effect of the light L11 emitted from the
本発明では、単一の光源12からの光L11をビームスプリッタ等によって分割することで、複数の反応領域Aに光L11を導入することもできるが、光源12を熱源として用いる場合には光源12を反応領域Aに対して個別に設けることが望ましい。反応領域Aごとに光源を設けることで、各反応領域Aへの加熱を個別に行なうことができる。その結果、各反応領域Aを個別に温度制御できるため、反応領域A同士の微小な温度のずれを修正できたり、各反応領域Aを異なる目標温度に設定することもできる。例えば、基板上の反応領域Aやこれに対応する光学素子1022等をアレイ状に配置した場合には、夫々の反応領域Aに対応する光源12や光検出部16もアレイ状に配置する装置構成とすることができる。
In the present invention, the light L11 from the single
また、反応領域A同士の微小な温度のずれは、熱源として半導体素子等を用いる場合には重要な問題の一つといえる。半導体素子は一般に製造上のばらつきがある。そのため、各反応領域Aで同様の温度制御を行なった場合であっても、基板10内のヒーターユニットごとに、加熱量のばらつきが生じてしまう。また、半導体素子は、一般に温度によって特性が変化する性質がある。例えば、単結晶シリコンを用いたMOSトランジスタは負の温度特性を持ち、同じ電圧値を印加しても、温度が高くなると流れる電流が減少する。従って、同じ電圧値であっても温度によって加熱量が変化する結果となる。このような現象が温度制御において問題となる場合があった。これに対して、反応制御装置1において、光源12を熱源とすれば、その照射効率が高精度であること等からこのような問題も解決できる。
Further, a minute temperature shift between the reaction regions A can be said to be one of the important problems when a semiconductor element or the like is used as a heat source. Semiconductor devices generally have manufacturing variations. For this reason, even when the same temperature control is performed in each reaction region A, the heating amount varies for each heater unit in the
特に、光源12によって加熱制御する場合には、発光の有無を制御するスイッチング素子を別途設けることが望ましい。これにより、より正確な発光の制御(即ち、加熱実施の有無の制御)が可能となる。スイッチング素子としては特に限定されないが、例えば、TFT(薄膜トランジスタ)等を用いることができる。TFT等を用いることで光検出部と一体製造に大きく貢献できる。勿論、本発明において行い得る制御系の形態はTFTに限定されず、例えば、リレースイッチやデジタル回路等であってもよい。
In particular, when heating control is performed by the
LD光源は、半導体素子を光源とするものをいい、発光源が小型であること等からも好適である。例えば、Ga(ガリウム)、In(インジウム)、As(砒素)、P(リン)などを含む半導体を用いた比較的長波長のLD光源(例えば、λ=1〜3μm)は水の吸収効率が良く、液体試料を直接加熱するのに好適である。また、水の吸収効率の低い短波長のLD光源を用いる場合においても、反応領域AにLD光源からの光を吸収する蓄熱層(例えば、金属膜や樹脂層等)を施すことで、同様の効果をもたらすことができる。 The LD light source is a light source that uses a semiconductor element as a light source, and is suitable from the viewpoint that the light emission source is small. For example, a relatively long wavelength LD light source (for example, λ = 1 to 3 μm) using a semiconductor containing Ga (gallium), In (indium), As (arsenic), P (phosphorus), etc. has a water absorption efficiency. Good, suitable for heating a liquid sample directly. Further, even when a short wavelength LD light source with low water absorption efficiency is used, a similar heat treatment layer (for example, a metal film or a resin layer) that absorbs light from the LD light source is applied to the reaction region A. Can have an effect.
LD光源と同様にLED光源も好適に用いることができる。LED光源は、接合部に電流が流れると光を放射するダイオードを光源とするものであればよく、所望する波長に応じて適宜好適な材料を光源として選択できる。 Similarly to the LD light source, an LED light source can also be suitably used. The LED light source only needs to use a diode that emits light when a current flows through the joint as a light source, and a suitable material can be appropriately selected as the light source according to a desired wavelength.
集光レンズ14は、光源12から照射される光L11を集束させることができる。また、図示はしないが、必要に応じて、回折光学素子やコリメーティングレンズ等を光路上に設けることができる。これらによって、光L12等を集束させたりコリメートさせて、ガイドすることもできる。
The
集光レンズ14の開口数(NA)は、装置構成を考慮して適宜決定することができるが、好適には、反応領域の大きさと光照射スポットが同程度であることが望ましい。例えば、光学スポットをエアリーリング径と等価とすると、d(半径)=0.61xλ(波長)xNAの関係式により、所望のNAを算出できる。加えて、NAが大きいとビームスポット径は小さくできるが焦点深度は浅くなり、NAが小さいと焦点深度は大きくなるがビームスポットは大きくなる傾向があるので、これを考慮すればよい。
The numerical aperture (NA) of the condensing
光検出部16は、反応領域Aからの光L12を受光する。この光検出部16は基板10の位置を検出することを少なくとも目的の一つとする。即ち、光検出部16は、基板10の位置検出部として機能することができる。
The
光検出部16では、受光素子としてフォトダイオード等を用いることができる。例えば、CCDやCMOS等として用いることができる。そして、レーザー等の検出素子として、4分割や6分割の多分割PINフォトダイオードや、フォトダイオードと集積回路を組み合わされたフォトIC等を用いることもできる
In the
また、必要に応じ、基板10と光検出部16との間に、所定波長の光を透過するフィルターを設けることが望ましい。これにより、検出対象である光L12以外の波長をカットできるため、より検出精度を向上させることができる。例えば、ダイクロックミラーを経由させることも、散乱光等の影響を排除できる点で好適である。また、光学フィルターを任意の周波数のみを検出するバンドパスフィルターとし、これらを複数用いることで光の周波数と光強度検出による分光解析を行うこともできる。
In addition, it is desirable to provide a filter that transmits light of a predetermined wavelength between the
次に、本発明の反応制御装置1において行う基板10の位置制御について、図2を参照しながら説明する。図2は、反応制御装置1における基板の位置制御を説明するための簡略側面図である。
Next, the position control of the
図2は、基板10が水平方向(図面に対して右側)にやや位置ずれした状態を示している。この場合、光源12から照射された光L11が反応領域Aに照射され、これを光L12として検出する。しかし、基板10が位置ずれしているため、光L11が光学素子1022に入射する位置がずれている。このため、反応領域Aから出射される光L12の照射スポットも、水平方向に距離dだけずれた位置となっている(図2の拡大領域参照)。即ち、図2の場合、基板10が本来設置すべき設置位置であれば、光L12の照射スポットは光検出部16の中心に形成される。しかし、基板10が位置ずれしているため、距離dだけずれた位置に実際の照射スポットが形成されている。
FIG. 2 shows a state in which the
光検出部16で、上記の照射スポットの位置ずれの距離dを検出することで、基板10がどの程度位置ずれしているかを検出できる。この検出結果に基づいて、基板10の位置ずれを位置補正手段によって修正することができる。即ち、光検出部16では、得られた検出結果を位置情報として出力し、この光検出部16からの出力に応じて、前記基板の位置ずれを修正し得るように基板の設置位置を補正する位置補正手段とすることができる。例えば、光検出部16の検出結果をアナログデジタルコンバーター(ADC)等によってデジタル情報に変換して位置補正手段へと出力し、これをCPU等を用いて位置補正手段と連動させてもよい。
By detecting the distance d of the position deviation of the irradiation spot by the
なお、本発明で行う位置補正手段は、基板10を所定の位置に移動することができればよく、その方法は限定されない。従って、機械によってもよいし手動によってもよい。本発明における光学部品の移動量は微小量であることが考えられるが、このような場合等も考慮すれば、小型で制御性に優れた圧電素子やステッピングモータ、超音波モータ等を用いることが望ましい。これにより、目標とする位置に正確に基板10を移動させて停止させることができるため望ましい。即ち、位置決め精度に優れ、ロストモーションが少ない点で好適である。
Note that the position correcting means performed in the present invention is not limited as long as it can move the
なお、基板10の移動方向は、水平方向(X−Y方向)のみならず、垂直方向(Z方向)にも可動させることが望ましい。基板10を水平方向に移動させることで、照射スポットのX−Y方向のずれを解消できる。また、基板10を垂直方向に移動させることで、照射スポットの大きさ(ビームスポット径)の調節が可能となる。
The moving direction of the
更に、光源12から照射される光L11を、基板(反応領域A)の所定の目標スポットに照射されるように集光レンズ16を移動させる照射制御手段を別途設けることが望ましい。光源12を基板10の位置検出用として用いる場合は集光レンズ16は固定することが望ましいが、光L11で反応領域Aを加熱したい場合や、光L11を試料の分光分析の測定光として用いたい場合には、より正確に目標位置に照射することが望まれる。このような場合には、前記照射制御手段によって、光照射をより正確に行うことができる。
Furthermore, it is desirable to separately provide an irradiation control means for moving the
この照射制御手段は、集光レンズ16を移動させることができればよく、その方法については限定するものではないが、いわゆるオートフォーカス機能等を組み込むことが挙げられる。例えば、電磁アクチュエータや圧電素子、ステッピングモータ、超音波モータなどを用いることができる。
The irradiation control means only needs to be able to move the condensing
図3は、本発明に係る反応制御装置に用いる基板の一形態例の簡略斜視図である。図3の符号20は、本発明に係る反応制御装置で用いる基板を示している。該基板20は、試料の注入口202と、流路204と、使用後(例えば、反応終了後)の反応物を回収又は排出する排出口206と、を備えている。図3では、基板の流路構造を図示しており、基板内のその他の構成(例えば、光学素子等)や反応制御装置については省略している。
FIG. 3 is a simplified perspective view of one embodiment of a substrate used in the reaction control apparatus according to the present invention.
この基板20を反応制御装置(図示せず)にセットする際に、あるいはセットした後に生じる位置ずれについては、図1等で説明したように適宜修正することができるのは勿論である。
Of course, the positional deviation that occurs when or after the
基板20の反応領域Aに試料を導入する方法としては、通常用いられる手法を適宜採用できる。注入口202から導入された試料は矢印Fの方向に沿って流れ、やがては排出口206で回収又は廃棄される。特に、流路204や反応領域A等が微小な空間である場合には、毛細管現象等を用いて試料を導入することができる。
As a method for introducing the sample into the reaction region A of the
この基板20では、反応領域Aを所定反応を行ない微小な空間とし、この試料を反応領域Aに導くために微細な流路204によって連通させる構造とできる。また、これらの流路表面は適宜コーティングして親水性を高めること等により、試料を効率よく搬送できる。
The
図4は、本発明に係る反応制御装置の第2実施形態の概略構成図である。以下、第1実施形態との相違点を中心に説明し、共通する部分についてはその説明を割愛する。 FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a second embodiment of the reaction control device according to the present invention. Hereinafter, the difference from the first embodiment will be mainly described, and the description of the common parts will be omitted.
図4に示す符号2は、反応制御装置を示している。該反応制御装置2は、光源21a,21b,21cと、これに対応したハーフミラー22a,22b,22cと、集光レンズ23と、光検出部24とを備えている。そして、先に説明した基板20を用いている。反応制御装置2は、光学系として、加熱用光源と位置検出用光源と測定用光源とを用いることで、優れた温度制御や測定精度が可能であることを特徴の一としている。
The code |
光源21aは、加熱用光源として用いている。光源21aから照射される光によって、基板20の反応領域Aを加熱する。加熱には、例えば、赤外線レーザーダイオード等を用いることができる。
The
光源21bは、位置検出用光源として用いている。光源21bから照射される光を基板20の位置ずれの検出用の光として用いる。例えば、赤色レーザーダイオード(RLD)を用いることができる。従って、この反応制御装置2では、加熱用光源(例えば赤外光)と異なる波長の光を、位置検出用の光として用いている。
The
光源21cは、測定用光源として用いている。光源21cから照射される光を反応領域A中の試料の分光測定の測定光として用いる。例えば、青色レーザーダイオード(BLD)を用いることができる。なお、測定用光源21cは、測定に供する波長に対応する光源を用いればよい。
The
これらの光源から照射される光は、夫々ハーフミラー22a,22b,22cを介して同軸上に伝播される。そして、集光レンズ23を経由して基板20の所定位置(反応領域A等)に照射される。そのなかで、少なくとも位置検出用光源21bから照射された光は、光検出部24で受光する。これにより、前述した基板20の位置制御を行なうことができる。そして、他の光源から照射される光の波長に対応する光検出部を別途設けてもよい。また、前記ハーフミラー22a,22b,22cは、ダイクロックミラー等を用いてもよい。
Light emitted from these light sources is propagated coaxially through the half mirrors 22a, 22b, and 22c, respectively. Then, the light is irradiated to a predetermined position (such as the reaction region A) of the
また、光源21a,22b,22cの光源としてレーザーダイオードを用いる場合、この各レーザーダイオードを格納した光源ユニット25とすることもできる。光源ユニット25は3種類のレーザーダイオードであるが、3種類に限定するものではない。即ち、この光源ユニット25としては、異なる波長の光(好適には、レーザー光)を複数生成するため、複数のレーザーダイオードを格納することができる。
Moreover, when using a laser diode as a light source of
図5は、本発明に係る反応制御装置の第3実施形態の一部概念図である。図6は、同実施形態の位置制御を説明するための一部概念図である。以下、既に述べた実施形態との相違点を中心に説明し、共通する部分についてはその説明を割愛する。なお、図5、図6においては、基板の位置検出に関連する部分を示しており、その他の構成については省略している。 FIG. 5 is a partial conceptual diagram of a third embodiment of the reaction control device according to the present invention. FIG. 6 is a partial conceptual diagram for explaining the position control of the embodiment. The following description will focus on the differences from the embodiment described above, and the description of the common parts will be omitted. 5 and 6 show portions related to substrate position detection, and other configurations are omitted.
図5に示す符号3は、反応制御装置を示している。該反応制御装置3は、位置検出部として少なくとも集光レンズ36と光検出部37とを備えており、基板30において所定反応を行なうものである。反応制御装置3は、光検出部37として複数の受光素子371a,371b,371c,371dを配置している点が特徴の一である(図5の拡大領域参照)。
The code |
光検出部37は、受光素子371a,371b,371c,371dを水平面(X−Y方向)に複数配置している。即ち、図5や図6の拡大領域は受光素子371について上面視した状態である。受光した光の照射スポットがどの受光素子で受光しているか、更にはその受光面積や受光強度を検出することができる。これによって、照射スポットのより正確な位置を検出できる。
In the
例えば、図5では、実際の照射スポットS1が、目標とする照射スポットS2からやや右下にずれている状態である。まず、目標の照射スポットS2であれば、受光素子371a,371b,371c,371dは、受光面積と受光強度は均一である。しかし、実際の照射スポットS1では、受光素子371a,371b,371c,371dの受光面積や受光強度は均一ではない。具体的には、受光素子371dは照射スポットが広すぎており、受光素子371aは照射スポットが狭すぎている。これらから、実際の照射スポットS1の位置を検出することができる。
For example, in FIG. 5, the actual irradiation spot S1 is slightly shifted to the lower right from the target irradiation spot S2. First, in the case of the target irradiation spot S2, the
従って、ここで、受光素子371a,371b,371c,371dの夫々の受光面積(あるいは受光強度)をPD371a,PD371b,PD371c,PD371dとすると、X方向の位置検出においては、下記式(1)で示される関係式を用いることができる。
Therefore, here, if the light receiving areas (or light receiving intensities) of the
上記式(1)は、光検出部37のX方向において所定目標に光照射された状態を示している。同様に、Y方向の位置検出においては、下記式(2)で示される関係式を用いることができる。
The above formula (1) shows a state in which the predetermined target is irradiated with light in the X direction of the
上記式(2)は、光検出部37のY方向において所定目標に光照射された状態を示している。従って、上記式(1)、(2)のいずれもを満たす場合に、少なくとも水平方向(X−Y方向)においては、目標スポットS2に光照射されていることが確認できる。
The above equation (2) shows a state in which the predetermined target is irradiated with light in the Y direction of the
また、受光素子は、いわゆる多分割したものであってもよい。そして、より多くの受光素子を設けるほど、照射スポットS1の位置をより正確に検出できる。従って、例えば、各受光素子371a,371b,371c,371dを更にマトリクス状に多分割すれば、更に正確な照射スポット位置が検出できる。
The light receiving element may be a so-called multi-divided one. Then, the more light receiving elements are provided, the more accurately the position of the irradiation spot S1 can be detected. Therefore, for example, if each of the
図6では、反応制御装置3において、基板30の垂直方向(Z方向)の位置検出する場合を中心に説明する。基板30が垂直方向に移動する場合、その高さ(図6の矢印参照)によってビームスポット径が変化するが、これも光検出部37によって検出できる。受光した実際の照射スポットS3がどの受光素子で受光しているか、更にはその受光面積等を受光素子によって検出する。
In FIG. 6, the case where the
例えば、図6において基板30があるべき位置よりもやや上方(即ち、集光レンズ36側より)に位置している場合について述べる。この場合、基板30の光学素子や反応領域表面を経て屈折・干渉する。これにより、光検出部37への入射角等が異なってくる。このため、受光素子371a,371b,371c,371dの受光位置や受光面積や受光強度が変化する。これを検出することで照射スポットS4について知ることができる。
For example, a case where the
従って、垂直方向(Z方向)の位置ずれに関しては、照射スポットS3のビームスポット径を検出すること等により知ることができる。実際の照射スポットS3のビーム径が、目標とする照射スポットS4のビーム径よりも大きければ、基板30がやや上方(即ち、集光レンズ36側より)にずれていることになる。もちろん、照射スポットS3の照射面積を知ることでも同様に検出することもできる。
Accordingly, the positional deviation in the vertical direction (Z direction) can be known by detecting the beam spot diameter of the irradiation spot S3. If the actual beam diameter of the irradiation spot S3 is larger than the target beam diameter of the irradiation spot S4, the
図6の場合であれば、目標の照射スポットS4については、受光素子371a,371b,371c,371dのいずれもが受光できない状態である。しかし、実際の照射スポットS4では、受光素子371a,371b,371c,371dの領域にも照射スポットS3がかぶさっている。これらから、実際の照射スポットS1の位置を検出することができる。
In the case of FIG. 6, regarding the target irradiation spot S4, none of the
従って、Z方向の位置検出においては、式(1)、式(2)を満たした状態で、Z方向に基板30を移動させて、各受光素子371a,371b,371c,371dからの出力が最小となる位置を検出する。この位置は照射光の焦点位置と一致した状態といえる。
Accordingly, in the position detection in the Z direction, the
図7は、本発明に係る反応制御装置の第4実施形態の一部概念図である。図8は、同実施形態の位置検出を説明する一部概念図である。以下、既に述べた実施形態との相違点を中心に説明し、共通する部分についてはその説明を割愛する。なお、図7、図8においては、基板の位置検出に関連する部分を示しており、その他の構成については省略している。 FIG. 7 is a partial conceptual view of a fourth embodiment of the reaction control device according to the present invention. FIG. 8 is a partial conceptual diagram illustrating position detection according to the embodiment. The following description will focus on the differences from the embodiment described above, and the description of the common parts will be omitted. 7 and 8 show portions related to substrate position detection, and other components are omitted.
図7に示す符号4は、反応制御装置を示している。該反応制御装置3は、位置検出部として少なくとも集光レンズ46と光検出部47とを備えており、基板40において所定反応を行なうものである。反応制御装置4は、光検出部47として5個の受光素子471a,471b,471c,471d,471eを配置している点が特徴の一である(図7の拡大領域参照)。この場合、5分割した受光素子を用いてもよい。
The code | symbol 4 shown in FIG. 7 has shown the reaction control apparatus. The
光検出部47は、受光素子471a,471b,471c,471d,471eを水平面(X−Y方向)に複数配置している。受光した光の照射スポットがどの受光素子で受光しているかや、その受光面積や受光強度を検出することができる。これによって、照射スポットのより正確な位置を検出できる。特に、受光素子471eを中心位置に配置しているため、ビームスポット径が小さい場合にも正確に検出できる。
In the
従って、ここで、受光素子471a,471b,471c,471d,471eの夫々の受光面積(あるいは受光強度)をPD471a,PD471b,PD471c,PD471d,PD471eとすると、X方向の位置検出においては、下記式(3)で示される関係式を用いることができる。
Therefore, here, if the light receiving areas (or light receiving intensities) of the
上記式(3)は、光検出部37のX方向において所定目標に光照射された状態を示している。同様に、Y方向の位置検出においては、下記式(4)で示される関係式を用いることができる。
The above formula (3) shows a state in which the predetermined target is irradiated with light in the X direction of the
上記式(4)は、光検出部37のY方向において所定目標に光照射された状態を示している。従って、上記式(3)、(4)のいずれもを満たす場合に、少なくとも水平方向(X−Y方向)においては、目標スポットS2に光照射されていることが確認できる。
The above equation (4) shows a state in which the predetermined target is irradiated with light in the Y direction of the
図8では、反応制御装置4において、基板40の垂直方向(Z方向)の位置検出する場合を中心に説明する。基板40が垂直方向に移動する場合、その高さ(図8の矢印参照)によってビームスポット径が変化するが、これも光検出部47によって検出できる。受光した実際の照射スポットS3がどの受光素子で受光しているか、更にはその受光面積等を、受光素子によって検出できる。
In FIG. 8, the case where the reaction control device 4 detects the position of the
この場合、Z方向の位置検出においては、式(3)、式(4)を満たした状態で、Z方向に基板40を移動させて、各受光素子471a,471b,471c,471dからの出力が最小となる、あるいは受光素子471eの出力が最大となる位置を検出する。この位置は照射光の焦点位置と一致した状態といえる。
In this case, in the position detection in the Z direction, the
図9は、本発明に係る反応制御装置の第5実施形態の一部概念図である。以下、既に述べた実施形態との相違点を中心に説明し、共通する部分についてはその説明を割愛する。なお、図9は、基板の位置検出に関連する部分を示しており、その他の構成については省略している。 FIG. 9 is a partial conceptual diagram of the fifth embodiment of the reaction control apparatus according to the present invention. The following description will focus on the differences from the embodiment described above, and the description of the common parts will be omitted. FIG. 9 shows a portion related to the detection of the position of the substrate, and other components are omitted.
図9に示す符号5は、反応制御装置を示している。該反応制御装置5は、位置検出部として少なくとも集光レンズ56と光検出部57とを備えている。少なくとも加熱用の光と位置検出用の光を用い、これらの光の屈折率の相違を利用することで、検出部57で夫々の光を検出可能とする装置構成を有している。即ち、反応制御装置5は、光学系として異なる波長の光源を複数備え、これらの波長に対応する受光素子を夫々検出部57に備えることを特徴の一とする。
The code |
検出部57は、複数の受光素子571,572を備え、これらの受光素子の検出可能な波長が異なることを特徴の一としている。受光素子571は、加熱用光(例えば、赤外光)が検出可能な受光素子である。受光素子572は、位置検出用光(例えば、青色LD)を検出可能な受光素子である。
The
光の波長の相違は、屈折率の相違を生じる。即ち、集光レンズ56における屈折率特性は波長に依存する。従って、用いる光(例えば、加熱用光、位置検出用光、測定用光等)に応じて、その波長は異なる。従って、加熱用光や位置検出用光や測定用光の屈折率は異なるため、検出部57に形成する照射スポット径等も異なるものとなる。ここで、波長に依存する屈折率特性の代表的な一例を表1に示す。
A difference in the wavelength of light causes a difference in refractive index. That is, the refractive index characteristic in the condensing
但し、2以上の波長を同時照射する場合には、必要に応じて所定波長を透過するフィルタを設けることが望ましい。更に、透過可能な波長が異なる複数の領域を備えたフィルタとすることもできる。フィルタを設けることでクロストークの発生を防止できる。例えば、加熱用光として赤外光を用い、位置検出用光として青色LDを用いる場合において、これら2波長を同時照射すると、青色LD検出用の受光素子上で、赤外光によるクロストークが生じてしまう。そのため、赤外線カットフィルタを設けることが望ましい。 However, when simultaneously irradiating two or more wavelengths, it is desirable to provide a filter that transmits a predetermined wavelength as necessary. Furthermore, it can also be set as the filter provided with the some area | region from which the wavelength which can permeate | transmit differs. Providing a filter can prevent the occurrence of crosstalk. For example, when infrared light is used as heating light and blue LD is used as position detection light, if these two wavelengths are simultaneously irradiated, crosstalk due to infrared light occurs on the light receiving element for blue LD detection. End up. Therefore, it is desirable to provide an infrared cut filter.
このようなカットフィルタとしては、例えば、ダイクロックミラーのような反射型、赤外線NDフィルタのような吸収型、回折格子を用いたホログラム型等を用いることが望ましく、更に必要に応じた特性を選択することが望ましい。またホログラム型を用いた場合には、特定波長(例えば、加熱用の赤外光)のみを、任意の位置に集光させることが可能である。これに関しては後述する。 As such a cut filter, for example, it is desirable to use a reflection type such as a dichroic mirror, an absorption type such as an infrared ND filter, a hologram type using a diffraction grating, etc., and further select characteristics as required. It is desirable to do. Further, when the hologram type is used, only a specific wavelength (for example, heating infrared light) can be condensed at an arbitrary position. This will be described later.
そして、位置検出用光(例えば、青色LD)の照射スポットSanalysis(図9の斜線領域参照)は、加熱用光(例えば、赤外光)の照射スポットSheatよりも小さくなる。そして、一般的には波長が短いほうが屈折角が大きい特性があること等から、分光分析用光の受光素子572を中心に設け、加熱用光の受光素子571を外側に設けることが望ましい。
Then, the irradiation spot S analysis (see the shaded area in FIG. 9) of the position detection light (for example, blue LD) is smaller than the irradiation spot S heat of the heating light (for example, infrared light). In general, it is desirable to provide the
また、複数の波長を光学系に用いる場合には、その照射タイミングを制御することが望ましい。これにより、クロストーク等を効果的に防止できる。例えば、加熱用光源と位置検出用光源の照射時間をずらすようにスイッチング制御することが挙げられる。スイッチング制御には、TFT等をスイッチング素子として用いることができるため、受光素子との一体化も可能となる。そして、装置の薄型化、量産化、透明性等に資することができる。勿論、本発明においては、薄型化、量産化、透明性については必ずしも必要とはしないが、TFTを用いることでこれらを実現可能とできる点で望ましい。 Moreover, when using a some wavelength for an optical system, it is desirable to control the irradiation timing. Thereby, crosstalk etc. can be prevented effectively. For example, switching control may be performed so as to shift the irradiation time of the heating light source and the position detection light source. For switching control, a TFT or the like can be used as a switching element, so that integration with a light receiving element is also possible. And it can contribute to thickness reduction, mass production, transparency, etc. of an apparatus. Of course, in the present invention, thinning, mass production, and transparency are not necessarily required, but it is desirable in that these can be realized by using TFTs.
図10は、本発明に係る反応制御装置の第6実施形態の一部概念図である。以下、既に述べた実施形態との相違点を中心に説明し、共通する部分についてはその説明を割愛する。なお、図10は、基板の位置検出に関連する部分を示しており、その他の構成については省略している。 FIG. 10 is a partial conceptual diagram of the sixth embodiment of the reaction control apparatus according to the present invention. The following description will focus on the differences from the embodiment described above, and the description of the common parts will be omitted. FIG. 10 shows a portion related to the detection of the position of the substrate, and other components are omitted.
図10に示す符号6は、反応制御装置を示している。該反応制御装置6は、位置光検出部として少なくとも集光レンズ66と光検出部67と回折格子68を備えている。加熱用の光と測定用の光とを用い、これらの光の屈折率の相違を利用し、いずれの光も光検出部67で検出可能な装置構成である。光検出部67は、受光素子671で加熱用光を検出し、受光素子672で測定用光を検出する。
The code |
反応制御装置6は、光学フィルタとして回折格子68を利用したホログラム型カットフィルタを用いていることを特徴の一としている。このようなホログラム型カットフィルタを用いることで、特定波長(例えば、加熱用の赤外光)のみを所定の位置Sheatに集光させることができる。例えば、赤外光の波長にのみ回折現象が生じるよう設計された回折格子68を配置していることで、赤外光の集光スポットSheatを所望のスポット形状とすることができる。
The
図11は、本発明に係る反応制御装置の第7実施形態の概略構成図である。以下、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、共通する部分についてはその説明を割愛する。 FIG. 11 is a schematic configuration diagram of a seventh embodiment of the reaction control device according to the present invention. Hereinafter, description will be made centering on differences from the above-described embodiment, and description of common parts will be omitted.
図11に示す符号7は、反応制御装置を示している。該反応制御装置7は、基板70と、光源71a,71b,71c,71dと、これに対応したハーフミラー72a,72b,72c,72dと、集光レンズ73と、光検出部74とを備えている。反応制御装置7は、光学系として、4種類の光源と、これに対応する4種類の波長を受光可能な光検出部74を備えていることを特徴の一としている。
The code | symbol 7 shown in FIG. 11 has shown the reaction control apparatus. The reaction control device 7 includes a
光源71aは、加熱用光源として用いている。光源71aから照射される光によって、基板70の反応領域を加熱する。例えば、赤外線レーザーダイオード等を用いることができる。
The
光源71bは、位置検出用光源として用いている。光源71bから照射される光を基板70の位置ずれの検出用の光として用いる。例えば、赤色レーザーダイオード(RLD)を用いることができる。
The
光源71c,71dは、測定用光源として用いている。即ち、異なる2波長を夫々測定用光として用いることができる。例えば、青色レーザーダイオード(BLD)と緑色レーザーダイオード(GLD)を用いることができる。なお、測定用光源71c、71dは、測定に供する波長に対応する光源を用いればよい。
The
更に、光検出部74は、前記4波長の光を夫々受光・検出することができる。即ち、特定波長の光を透過するフィルタを複数備え、これらのフィルタが透過する特定波長は夫々異なる波長であることを特徴とするフィルタ膜を、光検出部74に設けている。。反応制御装置7では、4枚のフィルタ741,742,743,744をマトリクス的に配置しており、これらは特定波長λa,λb,λc,λdを夫々透過するものである。そして、フィルタ膜としては、例えば、RGBフィルタと赤外光透過フィルタ等を用いることができる。
Further, the
これらによって、反応領域の加熱制御や、基板70の位置制御や、試料の分光測定等といった一連の操作を、同軸光路上で行うことができる。そして、前記したフィルタ膜等を併用することで、幅広い波長域にも対応できる。特に、蛍光分析等を行なう場合には、複数の蛍光ラベル等を同時に用いることもでき、かつこれを高い精度で検出できるため好適である。
Thus, a series of operations such as heating control of the reaction region, position control of the
本発明に係る反応制御装置によれば、基板の位置制御を正確に行うことができる。更には、加熱や測定等も光学系を用いて行うことで、これらの照射も正確に行うことができる。更には、複数の反応領域を備えた基板である場合において、各反応領域に対応した光源を夫々設けることで、各反応領域の個別制御が可能となる。 The reaction control apparatus according to the present invention can accurately control the position of the substrate. Furthermore, by performing heating and measurement using an optical system, these irradiations can be performed accurately. Furthermore, in the case of a substrate having a plurality of reaction regions, it is possible to individually control each reaction region by providing a light source corresponding to each reaction region.
例えば、各反応領域ごとに加熱用光源(例えば、LDやLED)を設け、これらの加熱用光源を夫々独立に駆動させることで、各反応領域の温度を個別に制御できる。これにより夫々の反応領域Aごとに設定温度を変えて制御することもできる。また、分光測定を行う場合でも、測定用光の照射精度が高いため、正確な測定結果をリアルタイムで得ることができる。更に、各反応領域Aによって異なる波長の光を測定光として用いることもできる。従って、特に、微小な反応領域や微細流路を備えた基板において所定反応を行なう場合にとりわけ優れた効果を発揮できる。 For example, by providing a heating light source (for example, LD or LED) for each reaction region and driving these heating light sources independently, the temperature of each reaction region can be individually controlled. Thereby, it is also possible to control by changing the set temperature for each reaction region A. Even in the case of performing spectroscopic measurement, accurate measurement results can be obtained in real time because the irradiation accuracy of the measurement light is high. Furthermore, light having a different wavelength depending on each reaction region A can be used as measurement light. Therefore, particularly excellent effects can be exhibited particularly when a predetermined reaction is performed on a substrate having a minute reaction region or a minute flow path.
そして、位置精度を有したアレイ状の部品(例えば、LDやLED等の光源、レンズアレイ、これに対応する光検出部)等を用いることで、反応制御装置で行う必要がある各種調整を簡略化できる。また、今まで説明した装置の各種構成・部品等は、半導体プロセス等を用いることで小型化できる。その結果、マイクロ空間で所定反応・検出が可能となるばかりでなく、装置全体としても小デバイス化が可能となる。また、従来用いられているような、いわゆるイメージセンサの変わりに、反応領域ごとに光検出部を用いることで、高感度でありながら高精度の反応検出が可能となる。 And by using an array-like component with position accuracy (for example, a light source such as an LD or LED, a lens array, and a corresponding light detection unit), various adjustments necessary for the reaction control device are simplified. Can be In addition, various configurations and parts of the apparatus described so far can be miniaturized by using a semiconductor process or the like. As a result, not only can a predetermined reaction / detection be made in the micro space, but also the entire apparatus can be made smaller. Further, by using a light detection unit for each reaction region instead of a so-called image sensor as conventionally used, it is possible to detect a reaction with high accuracy while maintaining high sensitivity.
本発明の反応制御装置は、基板の形態として各種チップや各種センサーの如き形態として使用することができる。例えば、血液分析チップや生体高分子検出チップ等に用いることができる。従って、本発明は、マイクロ流路を用いた分析システムであるμTASやLab-on-a-chip等のバイオ・化学アプリケーションにも応用できる。 The reaction control device of the present invention can be used in the form of various chips and various sensors as a substrate. For example, it can be used for blood analysis chips, biopolymer detection chips, and the like. Therefore, the present invention can also be applied to bio / chemical applications such as μTAS and Lab-on-a-chip, which are analysis systems using microchannels.
更に、基板として使用することで使い捨てとした場合であっても、経済的な負担が軽減できる。従って、試料のコンタミネーション等も防止できるため、より高い測定精度を簡便に得ることができる。 Furthermore, even if it is disposable when used as a substrate, the economic burden can be reduced. Therefore, since contamination of the sample can be prevented, higher measurement accuracy can be easily obtained.
そして、基板に用いる測定試料の小容量化・微量化が可能であれば、基板上で網羅的な解析を行なうことができる。また、解析時間の短縮や必要とする測定試料の少量化も可能となる。従って、各種測定試料の小容量化・微量化とする技術は、医療、環境科学、食品分析等をはじめとする幅広い分野への応用が期待されている。 If the measurement sample used for the substrate can be reduced in volume and amount, a comprehensive analysis can be performed on the substrate. In addition, the analysis time can be shortened and the amount of measurement sample required can be reduced. Therefore, the technology for reducing the volume and amount of various measurement samples is expected to be applied to a wide range of fields including medical treatment, environmental science, food analysis and the like.
本発明の反応制御装置は、各種反応に用いることができ、生物のゲノムやタンパクの解析、創薬支援、コンビナトリアルケミストリ等の化合物合成・分析、環境のモニタリング試験、食品の安全性検査等にも用いることができる。その中でも、微小な試料を増幅させる遺伝子増幅反応や、マイクロリアクターや、更にはフローサイトメトリー等の分光測定機器として好適に用いることができる。 The reaction control apparatus of the present invention can be used for various reactions, and also for analysis of biological genomes and proteins, drug discovery support, compound synthesis and analysis such as combinatorial chemistry, environmental monitoring test, food safety inspection, etc. Can be used. Among them, it can be suitably used as a spectroscopic measuring instrument such as a gene amplification reaction for amplifying a minute sample, a microreactor, and further a flow cytometry.
フローサイトメトリーは、試料から発生する蛍光発光のみならず側方散乱光等も検出対象として用いるため、今まで述べたような複数光源を用いることができる点で好適である。また、マイクロ流路中を測定対象である微小粒子を通過させながら分光測定するため、照射精度が高い点でも、本発明の反応制御装置を好適に使用できる。 Since flow cytometry uses not only fluorescent light emission generated from a sample but also side scattered light as a detection target, it is preferable in that a plurality of light sources as described above can be used. In addition, since the spectroscopic measurement is performed while passing the microparticles to be measured through the microchannel, the reaction control device of the present invention can be suitably used from the viewpoint of high irradiation accuracy.
遺伝子増幅反応は、微小なサンプルを正確に増幅させることが必要であるが、その増幅反応を制御するには、分光測定や温度制御を正確に行うことが重要である。これに関して、本発明の反応制御装置であれば、正確な温度制御や高精度の分光測定を行なうことができる点で好適である。なお、遺伝子増幅反応は、その出発物質と増幅産物の種類に応じて、種々の手法が用いられているが、ここでは一例として、本発明の反応制御装置においてPCR法を行う場合について説明する。 In gene amplification reactions, it is necessary to accurately amplify a small sample, but in order to control the amplification reaction, it is important to perform spectroscopic measurement and temperature control accurately. In this regard, the reaction control device of the present invention is preferable in that accurate temperature control and high-precision spectroscopic measurement can be performed. Various methods are used for the gene amplification reaction depending on the starting material and the type of amplification product. Here, as an example, the case where the PCR method is performed in the reaction control apparatus of the present invention will be described.
PCR法は、「熱変性→プライマーとのアニーリング→ポリメラーゼ伸長反応」という増幅サイクルを連続的に行うことで、DNA等を数十万倍にも増幅させることができる。このようにして得られるPCR増幅産物をリアルタイムでモニタリングして前記微量核酸の定量分析を行うこともできる。 In the PCR method, DNA and the like can be amplified several hundred thousand times by continuously performing an amplification cycle of “thermal denaturation → annealing with a primer → polymerase extension reaction”. The PCR amplification product thus obtained can be monitored in real time for quantitative analysis of the trace nucleic acid.
しかし、PCR法等において前記増幅サイクルを正確に制御することが必要である。そのためには高精度の温度制御が必要となる。温度制御が不十分である場合には、無関係なDNA配列を増幅してしまったり、増幅が全く見られなかったりする問題があった。 However, it is necessary to accurately control the amplification cycle in the PCR method or the like. For this purpose, highly accurate temperature control is required. When the temperature control is insufficient, there is a problem that an irrelevant DNA sequence is amplified or no amplification is observed.
これに対して、本発明に係る反応制御装置によれば、特に光照射により加熱を行う場合に、DNA解離温度やアニーリング温度や伸長温度等の絶対温度だけでなく、各反応領域の昇温や降温勾配や伸長時間等といった様々なパラメータについても正確に制御できる。更に、1つの基板上で、反応領域の数だけこれらの条件を変えて測定することが可能となる。また、蛍光色素等によってラベリングする場合においても、異なる波長の光を使用できるため、複数の色素を検出することもできる。このようなことから、増幅条件の最適化を容易に行なうことができ、更には網羅的解析にも大きく貢献できる。 In contrast, according to the reaction control apparatus of the present invention, particularly when heating is performed by light irradiation, not only absolute temperatures such as DNA dissociation temperature, annealing temperature, and extension temperature, Various parameters such as temperature gradient and extension time can be accurately controlled. Further, it is possible to perform measurement by changing these conditions by the number of reaction regions on one substrate. Even when labeling with a fluorescent dye or the like, light of different wavelengths can be used, so that a plurality of dyes can be detected. Because of this, it is possible to easily optimize the amplification conditions, and further contribute greatly to comprehensive analysis.
いままで説明してきた反応制御装置と同様に、本発明の反応制御方法でも同様の効果を得ることができる。基板に設けられた反応領域で所定の反応を行なう反応制御方法に際して、反応領域と、この反応領域に光を導入する光学素子とを備えた基板に対して、光を照射し、前記反応領域に照射された光を光検出部にて受光することで、前記基板の位置ずれを検出し、前記基板の位置ずれを修正することを少なくとも行う方法である。そして、今まで説明した反応制御装置において、この反応制御方法を行うことができるのは勿論である。 Similar to the reaction control apparatus described so far, the same effect can be obtained with the reaction control method of the present invention. In a reaction control method for performing a predetermined reaction in a reaction region provided on a substrate, light is irradiated to the reaction region and a substrate including an optical element that introduces light into the reaction region. It is a method of at least performing detection of positional deviation of the substrate and correction of positional deviation of the substrate by receiving irradiated light at a light detection unit. And of course, this reaction control method can be performed in the reaction control apparatus described so far.
1,2,3,4,5,6,7 反応制御装置
10,20,30,40,70 基板
12,21a,21b,21c,71a,71b,71c,71d 光源
16,24,37,47,57,67,74 光検出部
1022 光学素子
A 反応領域
S 照射スポット
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7
Claims (8)
前記反応領域と、該反応領域に光を導入する光学素子とを備えた基板と、
前記反応領域内の試料に光照射を行う光源と、
前記反応領域に照射された光を受光することで、反応制御装置内における前記基板の位置ずれを検出する位置検出部と、
前記基板の位置ずれを修正する位置補正手段と、
を備えた反応制御装置。 A reaction control device for performing a predetermined reaction in a reaction region provided on a substrate,
A substrate comprising the reaction region and an optical element for introducing light into the reaction region;
A light source for irradiating the sample in the reaction region with light;
A position detection unit that detects a positional shift of the substrate in a reaction control device by receiving light irradiated to the reaction region;
Position correcting means for correcting the positional deviation of the substrate;
A reaction control device comprising:
前記測定光が前記試料に照射されることで発生する検出光を検出する測定部と、
を更に備えたことを特徴とする請求項2記載の反応制御装置。 A measurement light source for irradiating the sample in the reaction region with measurement light;
A measurement unit for detecting detection light generated by irradiating the sample with the measurement light;
The reaction control device according to claim 2, further comprising:
前記反応領域と、該反応領域に光を導入する光学素子とを備えた基板に対して、光を照射し、
前記反応領域に照射された光を光検出部にて受光することで、前記基板の位置ずれを検出し、
前記基板の位置ずれを修正することを少なくとも行う反応制御方法。 A reaction control method for performing a predetermined reaction in a reaction region provided on a substrate,
Irradiating the substrate with the reaction region and an optical element that introduces light into the reaction region,
By detecting the light irradiated to the reaction region by a light detection unit, the positional deviation of the substrate is detected,
A reaction control method for performing at least correcting the positional deviation of the substrate.
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