生体高分子分析支援装置
【課題】サンプルＤＮＡの配列を容易に特定できるようにする。
【解決手段】生体高分子分析支援装置７０は、固体撮像デバイス１０と、既知の生体高分子からなり、固体撮像デバイス１０の受光面上に点在した複数種のスポット６０と、固体撮像デバイス１０に向けて光を照射する光源８１〜８４と、を備える。光源８１〜８４のピークの波長が異なる。
【解決手段】生体高分子分析支援装置７０は、固体撮像デバイス１０と、既知の生体高分子からなり、固体撮像デバイス１０の受光面上に点在した複数種のスポット６０と、固体撮像デバイス１０に向けて光を照射する光源８１〜８４と、を備える。光源８１〜８４のピークの波長が異なる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像デバイスを用いた生体高分子分析支援装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、様々な生物種の遺伝子の発現解析を行っている。遺伝子の発現解析とは、細胞で発現している遺伝子を同定することであり、具体的には、遺伝子をコードするＤＮＡから転写されているｍＲＮＡを同定することである。
【０００３】
遺伝子の発現解析のためにＤＮＡマイクロアレイ及びその読取装置が開発されている。ＤＮＡマイクロアレイは、プローブとなる既知の塩基配列のｃＤＮＡをスライドガラス等の固体担体上にマトリックス状に整列固定させたものである（例えば特許文献１参照）。ここで、既知の塩基配列のｃＤＮＡとしては、検体において既知のｍＲＮＡと同一、またはその一部と同一の塩基配列のｃＤＮＡが用いられる。ＤＮＡマイクロアレイ及びその読取装置を用いた遺伝子の発現解析は次のようにして行う。
【０００４】
まず、複数種類の配列既知のｃＤＮＡ（以下、プローブＤＮＡという）をスライドガラス等の固体担体に整列固定させたＤＮＡマイクロアレイを準備する。次に、検体からｍＲＮＡを抽出し、逆転写酵素を用いて蛍光物質で標識したｃＤＮＡ（以下、サンプルＤＮＡという）を合成する。次に、蛍光物質で標識化したサンプルＤＮＡをＤＮＡマイクロアレイ上に添加すると、サンプルＤＮＡが相補的な塩基配列のプローブＤＮＡとハイブリダイズすることによりＤＮＡマイクロアレイ上に固定される。サンプルＤＮＡを標識する蛍光物質は励起されるとサンプルＤＮＡが結合したプローブＤＮＡの位置から蛍光を発することになる。
【０００５】
次いで、ＤＮＡマイクロアレイを読取装置にセッティングし、読取装置にて分析する。読取装置は、励起光の照射点をＤＮＡマイクロアレイに対して二次元的に移動し、それと共に集光レンズ及びフォトマルチプライヤーによってＤＮＡマイクロアレイを二次元走査する。励起光により励起された蛍光物質から発した蛍光を集光レンズで集光させ、蛍光強度をフォトマルチプライヤーで計測することで、ＤＮＡマイクロアレイの面内の蛍光強度分布を計測し、これにより、ＤＮＡマイクロアレイ上の蛍光強度分布が二次元の画像として出力される。出力された画像内で蛍光強度が大きい部分には、プローブＤＮＡの塩基配列と相補的な塩基配列を有したサンプルＤＮＡが含まれていることを表している。従って、二次元画像中のどの部分の蛍光強度が大きいかによって、配列既知のｍＲＮＡのうち、どれが検体で発現しているかを同定することができる。
【特許文献１】特開２０００−１３１２３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、発明者等は、固体撮像デバイスの受光面にプローブＤＮＡをスポットした生体高分子分析チップを開発している。このような生体高分子分析チップでは、固体撮像デバイスによって取得した画像のうち明るい部分が、サンプルＤＮＡの付着したスポットに相当する。そのため、その明るい部分を特定することで、サンプルＤＮＡの付着したスポットを特定することができ、サンプルＤＮＡの配列を特定することができる。かかる生体高分子分析チップではスポットが固体撮像デバイスの受光面に点在しているから、レンズ等を必要とせず、装置が小型になるという利点がある。
【０００７】
ここで、標識化された蛍光物質は各種存在し、励起光の吸収ピーク波長や蛍光ピーク波長がそれぞれ異なる。このため、ハイブリダイゼーションに適用した特定の蛍光物質の励起光の吸収ピーク波長に対応した光を発する光源でないと、十分な蛍光を得られない場合があり、サンプルＤＮＡの塩基配列を特定する障害になっていた。
そこで、本発明は、このような問題点を解決しようとしてなされたものであり、サンプルＤＮＡの配列を容易に特定できるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以上の課題を解決するために、本発明によれば、
固体撮像デバイスと、
既知の生体高分子からなり、前記固体撮像デバイスの受光面上に点在した複数種のスポットと、
前記固体撮像デバイスに向けて互いに異なるピーク波長域の光を照射する複数の光源と、を備えることを特徴とする生体高分子分析支援装置が提供される。
好ましくは、前記生体高分子分析支援装置は、前記複数の光源を順次点灯させるとともに、前記各光源が点灯している時に前記固体撮像デバイスに撮像動作を行わせて画像データを取得する制御部を更に備える。
好ましくは、前記制御部が、前記各光源が点灯している時に取得した画像データの加算、減算等の処理をする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、複数の光源による画像が固体撮像デバイスによって取得され、これらの画像を用いると、画像のうち明るい部分とそうでない部分との明暗の差が大きくすることができる。そのため、明るい部分のスポットを容易に特定することができ、サンプルＤＮＡの配列の特定も容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に、本発明を実施するための好ましい形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。
【００１１】
〔１〕生体高分子分析チップの全体構成
図１は、生体高分子分析チップ１及び４つの光源８１〜８４を示した斜視図である。この生体高分子分析チップ１は、固体撮像デバイス１０と、固体撮像デバイス１０の受光面に点着された複数のスポット６０と、を有する。
【００１２】
固体撮像デバイス１０は、光源８１〜８４の下に取り付けられている。また、固体撮像デバイス１０は、光源８１〜８４の下の位置から取り外し可能とされている。光源８１〜８４は固体撮像デバイス１０の受光面の上に配置されている。光源８１〜８４は出射光のピークの波長が異なる。具体的には、光源８１〜８４の特性は図２に示されている。図２に示すように、光源８１は、第１励起光を放射し、３８０ｎｍにピークを持つ。光源８２は、第２励起光を放射し、３９０ｎｍにピークを持つ。光源８３は、第３励起光を放射し、４００ｎｍにピークを持つ。光源８４は、第４励起光を放射し、４３５ｎｍにピークを持つ。なお、これらの波長は一例であり蛍光標識の種類により任意とする。蛍光標識における最適励起波長を適用することが出来ない条件下において特に有効である。これらの光源８１〜８４を励起光とする蛍光出力は、前記固体撮像デバイスの受光面上で、蛍光標識の励起光波長と蛍光出力強度からなる関係に基づく出力電圧の違いとして表される。蛍光出力を生じないスポット部分ではその出力電圧の違いは蛍光出力部分の変化に比して小さく、容易にスポット６０の蛍光標識を識別できる。
【００１３】
図３は、図１における１つのスポット６０を拡大した平面図である。固体撮像デバイス１０には、光電変換素子として複数のダブルゲートトランジスタでなる受光素子２０が縦横に配列されている。
【００１４】
〔２〕固体撮像デバイス
図３〜図５を用いて固体撮像デバイス１０について説明する。図４は１つの受光素子２０を示す平面図であり、図５は図４のV−V矢視断面図である。
【００１５】
図５に示すように、固体撮像デバイス１０では、透明基板１１と、ボトムゲート絶縁膜１３と、トップゲート絶縁膜２１と、保護絶縁膜２３と、スポット固定層２４とが積層されている。また、図３に示すように、固体撮像デバイス１０には、複数のボトムゲートライン１２ａ、ソースライン１８ａ、ドレインライン１９ａ及びトップゲートライン２２ａが設けられている。
【００１６】
透明基板１１は、光を透過する性質（以下、光透過性という。）を有するとともに絶縁性を有し、ガラス基板（例えば、石英ガラス製の基板）、プラスチック基板（例えば、ポリカーボネート又はＰＭＭＡ製の基板）その他の絶縁性透明基板である。
【００１７】
ボトムゲート絶縁膜１３、トップゲート絶縁膜２１及び保護絶縁膜２３は、保護絶縁膜２３は絶縁性及び光透過性を有する。ボトムゲート絶縁膜１３、トップゲート絶縁膜２１及び保護絶縁膜２３は、絶縁性及び光透過性を有し、例えば窒化シリコン膜、酸化シリコン膜である。
【００１８】
この固体撮像デバイス１０においては、受光素子２０が光電変換素子として利用されている。複数の受光素子２０，２０，…が透明基板１１上において二次元アレイ状に特にマトリクス状に配列されている。これら受光素子２０，２０，…が保護絶縁膜２３によってまとめて被覆されている。
なお、図３では１０行×１０列の１００個の受光素子２０，２０，…が示されているが行の数、列の数は任意に設定することができる。
【００１９】
図４、図５に示すように、受光素子２０は、ボトムゲート電極１２、ボトムゲート絶縁膜１３、半導体膜１４、チャネル保護膜１５、不純物半導体膜１６、不純物半導体膜１７、ソース電極１８、ドレイン電極１９、トップゲート絶縁膜２１及びトップゲート電極２２を有する。
【００２０】
ボトムゲート電極１２は透明基板１１とボトムゲート絶縁膜１３との間に形成されている。半導体膜１４、チャネル保護膜１５、不純物半導体膜１６、不純物半導体膜１７、ソース電極１８及びドレイン電極１９はボトムゲート絶縁膜１３とトップゲート絶縁膜２１との間に形成されている。トップゲート電極２２はトップゲート絶縁膜２１と保護絶縁膜２３との間に形成されている。
【００２１】
ボトムゲート電極１２は、受光素子２０ごとに透明基板１１上に形成されている。また、透明基板１１とボトムゲート絶縁膜１３との間には、１０本のボトムゲートライン１２ａ，１２ａ，…が形成され、これらボトムゲートライン１２ａ，１２ａ，…が互いに平行となって行方向に延在している。横方向に配列された同一の行の受光素子２０，２０，…のボトムゲート電極１２が共通のボトムゲートライン１２ａと一体となって形成されている。ボトムゲート電極１２及びボトムゲートライン１２ａは、導電性及び遮光性を有し、例えばクロム、クロム合金、アルミ若しくはアルミ合金又はこれらの合金からなる。
【００２２】
半導体膜１４は、ボトムゲート電極１２との間にボトムゲート絶縁膜１３を挟んで、ボトムゲート電極１２に相対している。半導体膜１４は、受光素子２０ごとに独立して形成されている。半導体膜１４が受光部であり、半導体膜１４に入射した蛍光の光量に応じた量の電子−正孔対が半導体膜１４に形成される。半導体膜１４は、アモルファスシリコン等からなる。
【００２３】
チャネル保護膜１５は、半導体膜１４の中央部上に形成されている。チャネル保護膜１５は、受光素子２０ごとに独立してパターニングされたものである。チャネル保護膜１５は、絶縁性及び光透過性を有し、例えば窒化シリコン又は酸化シリコンからなる。チャネル保護膜１５は、パターニングに用いられるエッチャントから半導体膜１４を保護する透明絶縁膜である。半導体膜１４に光が入射すると、入射した光量に従った量で半導体膜１４内に生成される電子−正孔対がチャネル保護膜１５と半導体膜１４との界面付近にも蓄積する。
【００２４】
不純物半導体膜１６は、半導体膜１４の一部に重なるように形成されている。不純物半導体膜１６の一部は、チャネル保護膜１５に重なっている。不純物半導体膜１７は、半導体膜１４の別の部分に重なるように形成されている。不純物半導体膜１７の一部は、チャネル保護膜１５に重なっている。不純物半導体膜１６，１７は、受光素子２０ごとに独立してパターニングされている。不純物半導体膜１６，１７は、ｎ型の不純物（例えば、ホスフィン）を含むアモルファスシリコン（ｎ+シリコン）からなる。
【００２５】
ソース電極１８は、不純物半導体膜１６に重なっている。ドレイン電極１９は、不純物半導体膜１７に重なっている。ソース電極１８及びドレイン電極１９は受光素子２０ごとに形成されている。ボトムゲート絶縁膜１３とトップゲート絶縁膜２１との間には、それぞれ１０本のソースライン１８ａ，１８ａ，…及びドレインライン１９ａ，１９ａ，…が形成され、これらソースライン１８ａ，１８ａ，…及びドレインライン１９ａ，１９ａ，…が列方向に延在している。縦方向に配列された同一の列の受光素子２０，２０，…のソース電極１８は共通のソースライン１８ａと一体となって形成されており、縦方向に配列された同一の列の受光素子２０，２０，…のドレイン電極１９は共通のドレインライン１９ａと一体なって形成されている。ソース電極１８、ドレイン電極１９、ソースライン１８ａ及びドレインライン１９ａは、導電性及び遮光性を有しており、例えばクロム、クロム合金、アルミ若しくはアルミ合金又はこれらの合金からなる。
【００２６】
トップゲート電極２２は、半導体膜１４との間にチャネル保護膜１５及びトップゲート絶縁膜２１を挟んで、半導体膜１４に相対している。トップゲート電極２２は、受光素子２０ごとにトップゲート絶縁膜２１上に形成されている。また、トップゲート絶縁膜２１と保護絶縁膜２３との間には、複数本のトップゲートライン２２ａ，２２ａ，…が形成され、これらトップゲートライン２２ａ，２２ａ，…が互いに平行となって行方向に延在している。横方向に配列された同一の行の受光素子２０，２０，…のトップゲート電極２２が共通のトップゲートライン２２ａと一体となって形成されている。トップゲート電極２２及びトップゲートライン２２ａは、導電性及び光透過性を有し、例えば、酸化インジウム、酸化亜鉛若しくは酸化スズ又はこれらのうちの少なくとも一つを含む混合物（例えば、錫ドープ酸化インジウム（ＩＴＯ）、亜鉛ドープ酸化インジウム）で形成されている。
段ラック
【００２７】
保護絶縁膜２３の表面には、スポット固定層２４が形成されている。スポット固定層２４は、スポット６０となる後述するプローブとシランカップリング剤等によって共有結合することで、スポット６０を固定する。
【００２８】
以上のように構成された固体撮像デバイス１０はスポット固定層２４の表面を受光面としており、固体撮像デバイス１０が駆動されることによって受光素子２０の半導体膜１４において受光した光量が電気信号に変換される。
【００２９】
〔３〕スポット
図１、図３に示すように、固体撮像デバイス１０の受光面（スポット固定層２４の表面）には複数のスポット６０が形成されている。各スポット６０は、プローブとなる既知の塩基配列のｃＤＮＡ（プローブＤＮＡ６１）や抗体等の溶液を固体撮像デバイス１０の受光面に滴下し、乾燥して形成される。以下ではプローブとして既知の塩基配列のｃＤＮＡを用いた場合について説明する。
【００３０】
１つのスポット６０では同じ塩基配列の一本鎖のプローブＤＮＡが多数集まった群集が固定化され、スポット６０ごとにプローブＤＮＡの塩基配列が異なっている。プローブＤＮＡとしては、既知のｍＲＮＡの塩基配列が用いられたり、その一部と同一の又は相補的な塩基配列のＤＮＡが用いられたりする。具体的には、例えば、蛍光標識ＤＮＡで用いるのと同じ細胞検体から作成したｃＤＮＡライブラリを用いることができる。
図３に示すように、１つのスポット６０は複数の受光素子２０上に重なるように形成されている。
【００３１】
〔４〕生体高分子分析支援装置
生体高分子分析チップ１をセッティングする生体高分子分析支援装置７０について図６を用いて説明する。図６は生体高分子分析支援装置７０の構成を示すブロック図である。
【００３２】
生体高分子分析支援装置７０は、生体高分子分析チップ１、制御部７１、記憶装置７２、ドライバ７４〜７６、出力装置７７及び光源８１〜８４を有する。
図１に示すように、固体撮像デバイス１０が光源８１〜８４の下に取り付けられた場合、固体撮像デバイス１０のトップゲートライン２２ａ，２２ａ，…がトップゲートドライバ７４の端子に接続され、ボトムゲートライン１２ａ，１２ａ，…がボトムゲートドライバ７５の端子に接続され、ドレインライン１９ａ，１９ａ，…がドレインドライバ７６の端子に接続される。また、固体撮像デバイス１０のソースライン１８ａ，１８ａ，…が一定電圧源に接続され、この例ではソースライン１８ａ，１８ａ，…が接地されるようになっている。トップゲートドライバ７４、ボトムゲートドライバ７５及びドレインドライバ７６は、協同して固体撮像デバイス１０を駆動するものである。
【００３３】
トップゲートドライバ７４は各行のトップゲートライン２２ａ，２２ａ，…ごとに、受光素子２０の半導体膜１４等に蓄積された正孔等のキャリアを排除するためのリセットパルスを順次出力するようになっている（図７参照）。リセットパルスのレベルは例えば＋５〔Ｖ〕のハイレベルである。一方、トップゲートドライバ７４は、リセットパルスを出力しない時に、半導体膜１４に形成される電子−正孔対のうちの一方のキャリアである正孔を保持するためのローレベルの−２０〔Ｖ〕の電位をそれぞれのトップゲートライン２２ａに印加するようになっている。トップゲートドライバ７４としては、シフトレジスタを用いることができる
【００３４】
ボトムゲートドライバ７５は、各行のボトムゲートライン１２ａ，１２ａ，…に、受光素子２０の半導体膜１４にチャネルを形成するためのリードパルスを順次出力するようになっている（図７参照）。リードパルスのレベルは＋１０〔Ｖ〕のオンレベル（ハイレベル）であり、リードパルスが出力されていない時のレベルは±０〔Ｖ〕のオフレベル（ローレベル）である。ボトムゲートドライバ７５としては、シフトレジスタを用いることができる。
【００３５】
トップゲートドライバ７４が何れかの行のトップゲートライン２２ａにリセットパルスを出力した後に、蛍光の入射にしたがって生成される電子−正孔対のうちの一方のキャリアである正孔を蓄積するキャリア蓄積期間を経てボトムゲートドライバ７５が同じ行のボトムゲートライン１２ａにリードパルスを出力するように、トップゲートドライバ７４及びボトムゲートドライバ７５が出力信号をシフトする。つまり、各行では、リードパルスが出力されるタイミングは、リセットパルスが出力されるタイミングより遅れている。また、何れかの行のトップゲートライン２２ａへのリセットパルスの入力が開始してから、同じ行のボトムゲートライン１２ａへのリードパルスの入力が終了するまでの期間は、その行の選択期間である。リセットパルスのレベルは＋５〔Ｖ〕のハイレベルであり、リセットパルスが出力されていない時のレベルは−２０〔Ｖ〕のローレベルである。
【００３６】
ドレインドライバ７６は、それぞれの行の選択期間において、リセットパルスが出力されてからリードパルスが出力されるまでの間に、全てのドレインライン１９ａ，１９ａ，…にプリチャージパルスを出力するようになっている。プリチャージパルスによるドレインライン１９ａの電位は、その後、入射される蛍光の光量にしたがって受光素子２０の半導体膜１４に流れる電流に応じて減衰する。プリチャージパルスのレベルは＋５〔Ｖ〕のハイレベルであり、プリチャージパルスが出力されていない時のレベルは±０〔Ｖ〕のローレベルである。また、ドレインドライバ７６は、蛍光の入射によって変位するドレインライン１９ａ，１９ａ，…の電圧を増幅して制御部７１のＡ／Ｄコンバータに出力するようになっている。
【００３７】
制御部７１は、光源８１〜８４の点灯・消灯を行う機能を有する。
また、制御部７１は、トップゲートドライバ７４、ボトムゲートドライバ７５及びドレインドライバ７６に制御信号を出力することによって、トップゲートドライバ７４、ボトムゲートドライバ７５及びドレインドライバ７６に固体撮像デバイス１０の駆動動作を行わせる機能を有する。制御部７１は、固体撮像デバイス１０を駆動することによってドレインドライバ７６から電気信号を入力し、それをＡ／Ｄ変換することで固体撮像デバイス１０の受光面に沿った光量分布を二次元の画像データとして取得する。
また、制御部７１は、画像データに従った画像を出力装置７７に出力させる機能を有する。出力装置７７は、例えばプロッタ、プリンタ又はディスプレイである。
また、制御部７１は、画像データを記憶装置７２に記録する機能を有する。
【００３８】
記憶装置７２は、ハードディスクドライブ又は半導体記憶装置である。
【００３９】
〔５〕分析手順
〔５−１〕蛍光標識ＤＮＡの作成
上記生体高分子分析チップ１で分析する試料としては、ＤＮＡを用いることができる。試料となるＤＮＡとしては、任意の細胞検体内で発現しているｍＲＮＡを抽出し、逆転写酵素を用いるＲＴ−ＰＣＲ反応により得られたｃＤＮＡを用いることができる。ｃＤＮＡは蛍光体で標識する。蛍光体としては、例えばＧＥヘルスケア バイオサイエンス株式会社製のＣｙ２（吸収ピーク波長４９１ｎｍ、蛍光ピーク波長５０９ｎｍ）、Ｃｙ３（吸収ピーク波長５５３ｎｍ、蛍光ピーク波長５６９ｎｍ）、Ｃｙ５（吸収ピーク波長６４５ｎｍ、蛍光ピーク波長６６４ｎｍ）等を用いることができる。
【００４０】
ｃＤＮＡを蛍光体で標識するには、例えば、蛍光体で標識されたオリゴｄＴプライマや、標識されたｄＮＴＰミックスを用いてＲＴ−ＰＣＲ反応を実施すればよい。以下では、この標識されたｃＤＮＡを蛍光標識ＤＮＡという。
【００４１】
〔５−２〕ハイブリダイゼーション
まず、図７に示すように、蛍光標識ＤＮＡを含有した溶液（以下、蛍光標識ＤＮＡ）を固体撮像デバイス１０の受光面に塗布する。なお、蛍光標識ＤＮＡ溶液を各スポット６０，６０，…に順次又は同時に滴下してもよい。このとき、ＤＮＡが一本鎖となるように蛍光標識ＤＮＡ溶液は加熱されている。また、スポット６０のＤＮＡが一本鎖となるように固体撮像デバイス１０の受光面も加熱されている。
【００４２】
次いで、固体撮像デバイス１０を冷却する。すると、蛍光標識ＤＮＡ溶液内の蛍光標識ＤＮＡのうち、スポット６０のプローブＤＮＡと相補的な蛍光標識ＤＮＡは、そのプローブＤＮＡとハイブリダイズする。一方、プローブＤＮＡと相補的ではない蛍光標識ＤＮＡは、このスポット６０には結合しない。
【００４３】
その後、洗浄用バッファー溶液で蛍光標識ＤＮＡ溶液を固体撮像デバイス１０の受光面から洗い流し、蛍光標識ＤＮＡのうちハイブリダイズしなかったものを固体撮像デバイス１０の受光面から除去する。
【００４４】
〔５−３〕サンプルの検出
上記処理を行った後、生体高分子分析チップ１を、生体高分子分析支援装置７０にセッティングする。これにより、トップゲートドライバ７４、ボトムゲートドライバ７５及びドレインドライバ７６をそれぞれトップゲートライン２２ａ，２２ａ，…、ボトムゲートライン１２ａ，１２ａ，…、ドレインライン１９ａ，１９ａ，…に接続する。また、ソースライン１８ａ，１８ａ，…を一定電圧源に接続する。その後、制御部７１を起動する。
【００４５】
制御部７１が起動すると、制御部７１が光源８１を点灯させる。光源８１によってスポット６０，６０，…に第１励起光が照射される。そうすると、蛍光標識ＤＮＡがプローブＤＮＡに結合したスポット６０からは、蛍光が放出される。一方、蛍光標識ＤＮＡがプローブＤＮＡに結合したスポット６０からは、蛍光が放出されない。
【００４６】
そして、制御部７１は、光源８１を点灯した状態で、トップゲートドライバ７４、ボトムゲートドライバ７５及びドレインドライバ７６に制御信号を出力することによって固体撮像デバイス１０を駆動する。これにより、制御部７１は、ドレインドライバ７６から画像データを取得し、その画像データを記憶装置７２に記録する。
【００４７】
ここで、固体撮像デバイス１０の撮像動作について説明する。
トップゲートドライバ７４が１行目のトップゲートライン２２ａから最終行目のトップゲートライン２２ａへと順次リセットパルスを出力し、ボトムゲートドライバ７５がボトムゲートライン１２ａ，１２ａ，１２ａ，…に順次リードパルスを出力する。その際、ドレインドライバ７６が各行でリセットパルスが出力されているリセット期間と各行でリードパルスが出力されている期間との間に、プリチャージパルスを全てのドレインライン１９ａ，１９ａ，…に出力する。
【００４８】
ｉ行目の各受光素子２０の動作について詳細に説明する。図７に示すように、トップゲートドライバ７４がｉ行目のトップゲートライン２２ａにリセットパルスを出力すると、ｉ行目のトップゲートライン２２ａがハイレベルになる。ｉ行目のトップゲートライン２２ａがハイレベルになっている間（この期間をリセット期間という。）、ｉ行目の各受光素子２０では、半導体膜１４内や半導体膜１４とチャネル保護膜１５との界面近傍に蓄積されたキャリア（ここでは、正孔である。）が、トップゲート電極２２の電圧により反発して吐出される。
【００４９】
次に、トップゲートドライバ７４がｉ行目のトップゲートライン２２ａにリセットパルスを出力することを終了して、半導体膜１４に蛍光が入射することによって半導体膜１４内に生成された電子−正孔対のうちの正孔を電気的に捕捉するためのするため負電位（−２０〔Ｖ〕をトップゲートライン２２ａに出力する。つまり、ｉ行目のトップゲートライン２２ａのリセットパルスが終了してから、ｉ行目のボトムゲートライン４１にリードパルスが出力されるまでの間（この期間をキャリア蓄積期間という。）、光量に従った量の電子−正孔対が半導体膜１４内で生成されるが、そのうちの正孔がトップゲート電極２２の電界により半導体膜１４内や半導体膜１４とチャネル保護膜１５との界面近傍に蓄積される。
【００５０】
次に、キャリア蓄積期間中に、ドレインドライバ７６が全てのドレインライン１９ａ，１９ａ，…にプリチャージパルスを出力する。プリチャージパルスが出力されている間（プリチャージ期間という。）では、ｉ行目の各受光素子２０においては、トップゲート電極２２に印加されている電位が−２０〔Ｖ〕である。そうすると、この負電界によって半導体膜１４内や半導体膜１４とチャネル保護膜１５との界面近傍に蓄積された正孔による電界は、必然的に負電界を完全に相殺して半導体膜１４のチャネル領域にｎチャネルを形成する程度の正電界には成り得ない。そうすると、ボトムゲート電極１２に印加されている電位が±０〔Ｖ〕であるため、ドレイン電極１９とソース電極１８との間にプリチャージパルスの電位差が生じても半導体膜１４にはチャネルが形成されず、ドレイン電極１９とソース電極１８との間に電流は流れない。プリチャージ期間において、ドレイン電極１９とソース電極１８との間に電流が流れないため、ドレインライン１９ａ，１９ａ，…に出力されたプリチャージパルスによってｉ行目の各受光素子２０のドレイン電極１９に電荷がチャージされる。
【００５１】
次に、ドレインドライバ７６がプリチャージパルスの出力を終了するとともに、ボトムゲートドライバ７５がｉ行目のボトムゲートライン１２ａにリードパルスを出力する。ボトムゲートドライバ７５がｉ行目のボトムゲートライン１２ａにリードパルスを出力している間（この期間を、リード期間という。）では、ｉ行目の各受光素子２０のボトムゲート電極１２に＋１０〔Ｖ〕の電位が印加されているため、ｉ行目の各受光素子２０がオン状態になる。
【００５２】
リード期間においては、キャリア蓄積期間において蓄積されたキャリアがトップゲート電極２２の負電界を緩和するように働くため、入射される光量が十分あってキャリアの量が十分あれば、ボトムゲート電極１２の正電界とあわせて半導体膜１４にｎチャネルが形成されて、ドレイン電極１９からソース電極１８に電流が流れるようになる。従って、リード期間では、ドレインライン１９ａ，１９ａ，…の電圧は、ドレイン−ソース間電流によって時間の経過とともに徐々に低下する傾向を示す。
【００５３】
キャリア蓄積期間において半導体膜１４に入射した光量が多くなるにつれて、蓄積されるキャリアも多くなり、蓄積されるキャリアが多くなるにつれて、リード期間においてドレイン電極１９からソース電極１８に流れる電流のレベルも大きくなる。従って、リード期間におけるドレインライン１９ａ，１９ａ，…の電圧の減少傾向は、キャリア蓄積期間で半導体膜１４に入射した光量に深く関連する。
【００５４】
そして、ｉ行目のリード期間から次の（ｉ＋１）行目のプリチャージ期間までの間に、リード期間が開始してから所定の時間経過後のドレインライン１９ａ，１９ａ，…の電圧がドレインドライバ７６によって検出される。その電圧が光量を示し、その電圧が制御部７１に入力されてＡ／Ｄ変換される。
【００５５】
上述した一連の画像読み取り動作を１サイクルとして、全ての行の各受光素子２０にも同等の処理手順を繰り返すことにより、固体撮像デバイス１０の受光面における光量分布が画像データとして制御部７１に取得される。
【００５６】
以上のような固体撮像デバイス１０による撮像後、制御部７１が光源８１を消灯して、引き続き光源８２を点灯する。そして、制御部７１は、光源８２を点灯した状態で、トップゲートドライバ７４、ボトムゲートドライバ７５及びドレインドライバ７６により固体撮像デバイス１０を駆動する。これにより、制御部７１は、ドレインドライバ７６から画像データを取得し、その画像データを記憶装置７２に記録する。
【００５７】
次に、制御部７１は、光源８２を消灯し、引き続き光源８３を点灯する。そして、制御部７１は、光源８３を点灯した状態で、トップゲートドライバ７４、ボトムゲートドライバ７５及びドレインドライバ７６により固体撮像デバイス１０を駆動する。これにより、制御部７１は、ドレインドライバ７６から画像データを取得し、その画像データを記憶装置７２に記録する。
【００５８】
次に、制御部７１は、光源８３を消灯し、引き続き光源８４を点灯する。そして、制御部７１は、光源８４を点灯した状態で、トップゲートドライバ７４、ボトムゲートドライバ７５及びドレインドライバ７６により固体撮像デバイス１０を駆動する。これにより、制御部７１は、ドレインドライバ７６から画像データを取得し、その画像データを記憶装置７２に記録する。その後、制御部７１は、光源８４を消灯する。画像データには、固体撮像デバイス１０における各受光素子２０の位置と、各受光素子２０の出力とが含まれており、制御部７１は、プローブＤＮＡが設けられていないことによってハイブリダイゼーションが行われなかったスポット６０に対応する受光素子２０の出力の総和或いは平均値をバックグラウンド出力とし、プローブＤＮＡが設けられたスポット６０に対応する受光素子２０の出力の総和或いは平均値が最も高い領域の出力値をハイブリダイゼーションによるシグナル出力と設定する。ここで、光源８１によって取得されたバックグラウンド出力及びシグナル出力がそれぞれ１００、１１０、光源８２によって取得されたバックグラウンド出力及びシグナル出力がそれぞれ１００、１０８、光源８３によって取得されたバックグラウンド出力及びシグナル出力がそれぞれ１００、１１５、光源８４によって取得されたバックグラウンド出力及びシグナル出力がそれぞれ１００、１００であった。
【００５９】
以上により、光源８１〜８４による各画像データが記憶装置７２に記録される。制御部７１は、これらの画像データのうち、バックグラウンド出力に対するシグナル出力の比が最も大きい画像データを選択して、画像データに従った画像を出力装置７７に出力させることによって容易にハイブリダイゼーションを判断することができる。或いは、光源８１〜８４による各画像データの同一位置の受光素子２０の出力を加算したシグナル出力の加算値からバックグラウンド出力を減算しても、その差は、単一光源のときの差よりも大きく、ハイブリダイゼーションを容易に判断することができる。
【００６０】
以上のように本実施形態によれば、光源８１〜８４による画像データを処理した後に、その処理後の画像データに従った画像が出力装置７７に出力されるため、画像のうち蛍光を発した部分とそうでない部分との明暗の差（コントラスト）が大きくなる。そのため、出力された画像の中から蛍光を発した部分の特定が容易である。つまり、蛍光標識ＤＮＡと相補的なプローブＤＮＡのスポット６０を特定することが容易である。なお、光源８４のように、励起されない波長域の光を照射する光源を用いれば、バックグラウンド出力及びシグナル出力がほぼ同じ値となり、バックグラウンド出力をより把握できる。
上記実施形態では、ダブルゲートトランジスタを受光素子としたが、蛍光を受光できる素子であればこれに限らない。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】生体高分子分析支援装置の要部を示した斜視図である。
【図２】光源の特性を示したグラフである。
【図３】生体高分子分析チップの一部を示した平面図である。
【図４】固体撮像デバイスの画素を示した平面図である。
【図５】V−V矢視断面図である。
【図６】生体光高分子分析支援装置の構成を概略的に示したブロック図である。
【図７】固体撮像デバイスの信号の推移を示したチャートである。
【符号の説明】
【００６２】
１０ 固体撮像デバイス
６０ スポット
７０ 生体高分子分析支援装置
７１ 制御部
８１〜８４ 光源
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像デバイスを用いた生体高分子分析支援装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、様々な生物種の遺伝子の発現解析を行っている。遺伝子の発現解析とは、細胞で発現している遺伝子を同定することであり、具体的には、遺伝子をコードするＤＮＡから転写されているｍＲＮＡを同定することである。
【０００３】
遺伝子の発現解析のためにＤＮＡマイクロアレイ及びその読取装置が開発されている。ＤＮＡマイクロアレイは、プローブとなる既知の塩基配列のｃＤＮＡをスライドガラス等の固体担体上にマトリックス状に整列固定させたものである（例えば特許文献１参照）。ここで、既知の塩基配列のｃＤＮＡとしては、検体において既知のｍＲＮＡと同一、またはその一部と同一の塩基配列のｃＤＮＡが用いられる。ＤＮＡマイクロアレイ及びその読取装置を用いた遺伝子の発現解析は次のようにして行う。
【０００４】
まず、複数種類の配列既知のｃＤＮＡ（以下、プローブＤＮＡという）をスライドガラス等の固体担体に整列固定させたＤＮＡマイクロアレイを準備する。次に、検体からｍＲＮＡを抽出し、逆転写酵素を用いて蛍光物質で標識したｃＤＮＡ（以下、サンプルＤＮＡという）を合成する。次に、蛍光物質で標識化したサンプルＤＮＡをＤＮＡマイクロアレイ上に添加すると、サンプルＤＮＡが相補的な塩基配列のプローブＤＮＡとハイブリダイズすることによりＤＮＡマイクロアレイ上に固定される。サンプルＤＮＡを標識する蛍光物質は励起されるとサンプルＤＮＡが結合したプローブＤＮＡの位置から蛍光を発することになる。
【０００５】
次いで、ＤＮＡマイクロアレイを読取装置にセッティングし、読取装置にて分析する。読取装置は、励起光の照射点をＤＮＡマイクロアレイに対して二次元的に移動し、それと共に集光レンズ及びフォトマルチプライヤーによってＤＮＡマイクロアレイを二次元走査する。励起光により励起された蛍光物質から発した蛍光を集光レンズで集光させ、蛍光強度をフォトマルチプライヤーで計測することで、ＤＮＡマイクロアレイの面内の蛍光強度分布を計測し、これにより、ＤＮＡマイクロアレイ上の蛍光強度分布が二次元の画像として出力される。出力された画像内で蛍光強度が大きい部分には、プローブＤＮＡの塩基配列と相補的な塩基配列を有したサンプルＤＮＡが含まれていることを表している。従って、二次元画像中のどの部分の蛍光強度が大きいかによって、配列既知のｍＲＮＡのうち、どれが検体で発現しているかを同定することができる。
【特許文献１】特開２０００−１３１２３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、発明者等は、固体撮像デバイスの受光面にプローブＤＮＡをスポットした生体高分子分析チップを開発している。このような生体高分子分析チップでは、固体撮像デバイスによって取得した画像のうち明るい部分が、サンプルＤＮＡの付着したスポットに相当する。そのため、その明るい部分を特定することで、サンプルＤＮＡの付着したスポットを特定することができ、サンプルＤＮＡの配列を特定することができる。かかる生体高分子分析チップではスポットが固体撮像デバイスの受光面に点在しているから、レンズ等を必要とせず、装置が小型になるという利点がある。
【０００７】
ここで、標識化された蛍光物質は各種存在し、励起光の吸収ピーク波長や蛍光ピーク波長がそれぞれ異なる。このため、ハイブリダイゼーションに適用した特定の蛍光物質の励起光の吸収ピーク波長に対応した光を発する光源でないと、十分な蛍光を得られない場合があり、サンプルＤＮＡの塩基配列を特定する障害になっていた。
そこで、本発明は、このような問題点を解決しようとしてなされたものであり、サンプルＤＮＡの配列を容易に特定できるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以上の課題を解決するために、本発明によれば、
固体撮像デバイスと、
既知の生体高分子からなり、前記固体撮像デバイスの受光面上に点在した複数種のスポットと、
前記固体撮像デバイスに向けて互いに異なるピーク波長域の光を照射する複数の光源と、を備えることを特徴とする生体高分子分析支援装置が提供される。
好ましくは、前記生体高分子分析支援装置は、前記複数の光源を順次点灯させるとともに、前記各光源が点灯している時に前記固体撮像デバイスに撮像動作を行わせて画像データを取得する制御部を更に備える。
好ましくは、前記制御部が、前記各光源が点灯している時に取得した画像データの加算、減算等の処理をする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、複数の光源による画像が固体撮像デバイスによって取得され、これらの画像を用いると、画像のうち明るい部分とそうでない部分との明暗の差が大きくすることができる。そのため、明るい部分のスポットを容易に特定することができ、サンプルＤＮＡの配列の特定も容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に、本発明を実施するための好ましい形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。
【００１１】
〔１〕生体高分子分析チップの全体構成
図１は、生体高分子分析チップ１及び４つの光源８１〜８４を示した斜視図である。この生体高分子分析チップ１は、固体撮像デバイス１０と、固体撮像デバイス１０の受光面に点着された複数のスポット６０と、を有する。
【００１２】
固体撮像デバイス１０は、光源８１〜８４の下に取り付けられている。また、固体撮像デバイス１０は、光源８１〜８４の下の位置から取り外し可能とされている。光源８１〜８４は固体撮像デバイス１０の受光面の上に配置されている。光源８１〜８４は出射光のピークの波長が異なる。具体的には、光源８１〜８４の特性は図２に示されている。図２に示すように、光源８１は、第１励起光を放射し、３８０ｎｍにピークを持つ。光源８２は、第２励起光を放射し、３９０ｎｍにピークを持つ。光源８３は、第３励起光を放射し、４００ｎｍにピークを持つ。光源８４は、第４励起光を放射し、４３５ｎｍにピークを持つ。なお、これらの波長は一例であり蛍光標識の種類により任意とする。蛍光標識における最適励起波長を適用することが出来ない条件下において特に有効である。これらの光源８１〜８４を励起光とする蛍光出力は、前記固体撮像デバイスの受光面上で、蛍光標識の励起光波長と蛍光出力強度からなる関係に基づく出力電圧の違いとして表される。蛍光出力を生じないスポット部分ではその出力電圧の違いは蛍光出力部分の変化に比して小さく、容易にスポット６０の蛍光標識を識別できる。
【００１３】
図３は、図１における１つのスポット６０を拡大した平面図である。固体撮像デバイス１０には、光電変換素子として複数のダブルゲートトランジスタでなる受光素子２０が縦横に配列されている。
【００１４】
〔２〕固体撮像デバイス
図３〜図５を用いて固体撮像デバイス１０について説明する。図４は１つの受光素子２０を示す平面図であり、図５は図４のV−V矢視断面図である。
【００１５】
図５に示すように、固体撮像デバイス１０では、透明基板１１と、ボトムゲート絶縁膜１３と、トップゲート絶縁膜２１と、保護絶縁膜２３と、スポット固定層２４とが積層されている。また、図３に示すように、固体撮像デバイス１０には、複数のボトムゲートライン１２ａ、ソースライン１８ａ、ドレインライン１９ａ及びトップゲートライン２２ａが設けられている。
【００１６】
透明基板１１は、光を透過する性質（以下、光透過性という。）を有するとともに絶縁性を有し、ガラス基板（例えば、石英ガラス製の基板）、プラスチック基板（例えば、ポリカーボネート又はＰＭＭＡ製の基板）その他の絶縁性透明基板である。
【００１７】
ボトムゲート絶縁膜１３、トップゲート絶縁膜２１及び保護絶縁膜２３は、保護絶縁膜２３は絶縁性及び光透過性を有する。ボトムゲート絶縁膜１３、トップゲート絶縁膜２１及び保護絶縁膜２３は、絶縁性及び光透過性を有し、例えば窒化シリコン膜、酸化シリコン膜である。
【００１８】
この固体撮像デバイス１０においては、受光素子２０が光電変換素子として利用されている。複数の受光素子２０，２０，…が透明基板１１上において二次元アレイ状に特にマトリクス状に配列されている。これら受光素子２０，２０，…が保護絶縁膜２３によってまとめて被覆されている。
なお、図３では１０行×１０列の１００個の受光素子２０，２０，…が示されているが行の数、列の数は任意に設定することができる。
【００１９】
図４、図５に示すように、受光素子２０は、ボトムゲート電極１２、ボトムゲート絶縁膜１３、半導体膜１４、チャネル保護膜１５、不純物半導体膜１６、不純物半導体膜１７、ソース電極１８、ドレイン電極１９、トップゲート絶縁膜２１及びトップゲート電極２２を有する。
【００２０】
ボトムゲート電極１２は透明基板１１とボトムゲート絶縁膜１３との間に形成されている。半導体膜１４、チャネル保護膜１５、不純物半導体膜１６、不純物半導体膜１７、ソース電極１８及びドレイン電極１９はボトムゲート絶縁膜１３とトップゲート絶縁膜２１との間に形成されている。トップゲート電極２２はトップゲート絶縁膜２１と保護絶縁膜２３との間に形成されている。
【００２１】
ボトムゲート電極１２は、受光素子２０ごとに透明基板１１上に形成されている。また、透明基板１１とボトムゲート絶縁膜１３との間には、１０本のボトムゲートライン１２ａ，１２ａ，…が形成され、これらボトムゲートライン１２ａ，１２ａ，…が互いに平行となって行方向に延在している。横方向に配列された同一の行の受光素子２０，２０，…のボトムゲート電極１２が共通のボトムゲートライン１２ａと一体となって形成されている。ボトムゲート電極１２及びボトムゲートライン１２ａは、導電性及び遮光性を有し、例えばクロム、クロム合金、アルミ若しくはアルミ合金又はこれらの合金からなる。
【００２２】
半導体膜１４は、ボトムゲート電極１２との間にボトムゲート絶縁膜１３を挟んで、ボトムゲート電極１２に相対している。半導体膜１４は、受光素子２０ごとに独立して形成されている。半導体膜１４が受光部であり、半導体膜１４に入射した蛍光の光量に応じた量の電子−正孔対が半導体膜１４に形成される。半導体膜１４は、アモルファスシリコン等からなる。
【００２３】
チャネル保護膜１５は、半導体膜１４の中央部上に形成されている。チャネル保護膜１５は、受光素子２０ごとに独立してパターニングされたものである。チャネル保護膜１５は、絶縁性及び光透過性を有し、例えば窒化シリコン又は酸化シリコンからなる。チャネル保護膜１５は、パターニングに用いられるエッチャントから半導体膜１４を保護する透明絶縁膜である。半導体膜１４に光が入射すると、入射した光量に従った量で半導体膜１４内に生成される電子−正孔対がチャネル保護膜１５と半導体膜１４との界面付近にも蓄積する。
【００２４】
不純物半導体膜１６は、半導体膜１４の一部に重なるように形成されている。不純物半導体膜１６の一部は、チャネル保護膜１５に重なっている。不純物半導体膜１７は、半導体膜１４の別の部分に重なるように形成されている。不純物半導体膜１７の一部は、チャネル保護膜１５に重なっている。不純物半導体膜１６，１７は、受光素子２０ごとに独立してパターニングされている。不純物半導体膜１６，１７は、ｎ型の不純物（例えば、ホスフィン）を含むアモルファスシリコン（ｎ+シリコン）からなる。
【００２５】
ソース電極１８は、不純物半導体膜１６に重なっている。ドレイン電極１９は、不純物半導体膜１７に重なっている。ソース電極１８及びドレイン電極１９は受光素子２０ごとに形成されている。ボトムゲート絶縁膜１３とトップゲート絶縁膜２１との間には、それぞれ１０本のソースライン１８ａ，１８ａ，…及びドレインライン１９ａ，１９ａ，…が形成され、これらソースライン１８ａ，１８ａ，…及びドレインライン１９ａ，１９ａ，…が列方向に延在している。縦方向に配列された同一の列の受光素子２０，２０，…のソース電極１８は共通のソースライン１８ａと一体となって形成されており、縦方向に配列された同一の列の受光素子２０，２０，…のドレイン電極１９は共通のドレインライン１９ａと一体なって形成されている。ソース電極１８、ドレイン電極１９、ソースライン１８ａ及びドレインライン１９ａは、導電性及び遮光性を有しており、例えばクロム、クロム合金、アルミ若しくはアルミ合金又はこれらの合金からなる。
【００２６】
トップゲート電極２２は、半導体膜１４との間にチャネル保護膜１５及びトップゲート絶縁膜２１を挟んで、半導体膜１４に相対している。トップゲート電極２２は、受光素子２０ごとにトップゲート絶縁膜２１上に形成されている。また、トップゲート絶縁膜２１と保護絶縁膜２３との間には、複数本のトップゲートライン２２ａ，２２ａ，…が形成され、これらトップゲートライン２２ａ，２２ａ，…が互いに平行となって行方向に延在している。横方向に配列された同一の行の受光素子２０，２０，…のトップゲート電極２２が共通のトップゲートライン２２ａと一体となって形成されている。トップゲート電極２２及びトップゲートライン２２ａは、導電性及び光透過性を有し、例えば、酸化インジウム、酸化亜鉛若しくは酸化スズ又はこれらのうちの少なくとも一つを含む混合物（例えば、錫ドープ酸化インジウム（ＩＴＯ）、亜鉛ドープ酸化インジウム）で形成されている。
段ラック
【００２７】
保護絶縁膜２３の表面には、スポット固定層２４が形成されている。スポット固定層２４は、スポット６０となる後述するプローブとシランカップリング剤等によって共有結合することで、スポット６０を固定する。
【００２８】
以上のように構成された固体撮像デバイス１０はスポット固定層２４の表面を受光面としており、固体撮像デバイス１０が駆動されることによって受光素子２０の半導体膜１４において受光した光量が電気信号に変換される。
【００２９】
〔３〕スポット
図１、図３に示すように、固体撮像デバイス１０の受光面（スポット固定層２４の表面）には複数のスポット６０が形成されている。各スポット６０は、プローブとなる既知の塩基配列のｃＤＮＡ（プローブＤＮＡ６１）や抗体等の溶液を固体撮像デバイス１０の受光面に滴下し、乾燥して形成される。以下ではプローブとして既知の塩基配列のｃＤＮＡを用いた場合について説明する。
【００３０】
１つのスポット６０では同じ塩基配列の一本鎖のプローブＤＮＡが多数集まった群集が固定化され、スポット６０ごとにプローブＤＮＡの塩基配列が異なっている。プローブＤＮＡとしては、既知のｍＲＮＡの塩基配列が用いられたり、その一部と同一の又は相補的な塩基配列のＤＮＡが用いられたりする。具体的には、例えば、蛍光標識ＤＮＡで用いるのと同じ細胞検体から作成したｃＤＮＡライブラリを用いることができる。
図３に示すように、１つのスポット６０は複数の受光素子２０上に重なるように形成されている。
【００３１】
〔４〕生体高分子分析支援装置
生体高分子分析チップ１をセッティングする生体高分子分析支援装置７０について図６を用いて説明する。図６は生体高分子分析支援装置７０の構成を示すブロック図である。
【００３２】
生体高分子分析支援装置７０は、生体高分子分析チップ１、制御部７１、記憶装置７２、ドライバ７４〜７６、出力装置７７及び光源８１〜８４を有する。
図１に示すように、固体撮像デバイス１０が光源８１〜８４の下に取り付けられた場合、固体撮像デバイス１０のトップゲートライン２２ａ，２２ａ，…がトップゲートドライバ７４の端子に接続され、ボトムゲートライン１２ａ，１２ａ，…がボトムゲートドライバ７５の端子に接続され、ドレインライン１９ａ，１９ａ，…がドレインドライバ７６の端子に接続される。また、固体撮像デバイス１０のソースライン１８ａ，１８ａ，…が一定電圧源に接続され、この例ではソースライン１８ａ，１８ａ，…が接地されるようになっている。トップゲートドライバ７４、ボトムゲートドライバ７５及びドレインドライバ７６は、協同して固体撮像デバイス１０を駆動するものである。
【００３３】
トップゲートドライバ７４は各行のトップゲートライン２２ａ，２２ａ，…ごとに、受光素子２０の半導体膜１４等に蓄積された正孔等のキャリアを排除するためのリセットパルスを順次出力するようになっている（図７参照）。リセットパルスのレベルは例えば＋５〔Ｖ〕のハイレベルである。一方、トップゲートドライバ７４は、リセットパルスを出力しない時に、半導体膜１４に形成される電子−正孔対のうちの一方のキャリアである正孔を保持するためのローレベルの−２０〔Ｖ〕の電位をそれぞれのトップゲートライン２２ａに印加するようになっている。トップゲートドライバ７４としては、シフトレジスタを用いることができる
【００３４】
ボトムゲートドライバ７５は、各行のボトムゲートライン１２ａ，１２ａ，…に、受光素子２０の半導体膜１４にチャネルを形成するためのリードパルスを順次出力するようになっている（図７参照）。リードパルスのレベルは＋１０〔Ｖ〕のオンレベル（ハイレベル）であり、リードパルスが出力されていない時のレベルは±０〔Ｖ〕のオフレベル（ローレベル）である。ボトムゲートドライバ７５としては、シフトレジスタを用いることができる。
【００３５】
トップゲートドライバ７４が何れかの行のトップゲートライン２２ａにリセットパルスを出力した後に、蛍光の入射にしたがって生成される電子−正孔対のうちの一方のキャリアである正孔を蓄積するキャリア蓄積期間を経てボトムゲートドライバ７５が同じ行のボトムゲートライン１２ａにリードパルスを出力するように、トップゲートドライバ７４及びボトムゲートドライバ７５が出力信号をシフトする。つまり、各行では、リードパルスが出力されるタイミングは、リセットパルスが出力されるタイミングより遅れている。また、何れかの行のトップゲートライン２２ａへのリセットパルスの入力が開始してから、同じ行のボトムゲートライン１２ａへのリードパルスの入力が終了するまでの期間は、その行の選択期間である。リセットパルスのレベルは＋５〔Ｖ〕のハイレベルであり、リセットパルスが出力されていない時のレベルは−２０〔Ｖ〕のローレベルである。
【００３６】
ドレインドライバ７６は、それぞれの行の選択期間において、リセットパルスが出力されてからリードパルスが出力されるまでの間に、全てのドレインライン１９ａ，１９ａ，…にプリチャージパルスを出力するようになっている。プリチャージパルスによるドレインライン１９ａの電位は、その後、入射される蛍光の光量にしたがって受光素子２０の半導体膜１４に流れる電流に応じて減衰する。プリチャージパルスのレベルは＋５〔Ｖ〕のハイレベルであり、プリチャージパルスが出力されていない時のレベルは±０〔Ｖ〕のローレベルである。また、ドレインドライバ７６は、蛍光の入射によって変位するドレインライン１９ａ，１９ａ，…の電圧を増幅して制御部７１のＡ／Ｄコンバータに出力するようになっている。
【００３７】
制御部７１は、光源８１〜８４の点灯・消灯を行う機能を有する。
また、制御部７１は、トップゲートドライバ７４、ボトムゲートドライバ７５及びドレインドライバ７６に制御信号を出力することによって、トップゲートドライバ７４、ボトムゲートドライバ７５及びドレインドライバ７６に固体撮像デバイス１０の駆動動作を行わせる機能を有する。制御部７１は、固体撮像デバイス１０を駆動することによってドレインドライバ７６から電気信号を入力し、それをＡ／Ｄ変換することで固体撮像デバイス１０の受光面に沿った光量分布を二次元の画像データとして取得する。
また、制御部７１は、画像データに従った画像を出力装置７７に出力させる機能を有する。出力装置７７は、例えばプロッタ、プリンタ又はディスプレイである。
また、制御部７１は、画像データを記憶装置７２に記録する機能を有する。
【００３８】
記憶装置７２は、ハードディスクドライブ又は半導体記憶装置である。
【００３９】
〔５〕分析手順
〔５−１〕蛍光標識ＤＮＡの作成
上記生体高分子分析チップ１で分析する試料としては、ＤＮＡを用いることができる。試料となるＤＮＡとしては、任意の細胞検体内で発現しているｍＲＮＡを抽出し、逆転写酵素を用いるＲＴ−ＰＣＲ反応により得られたｃＤＮＡを用いることができる。ｃＤＮＡは蛍光体で標識する。蛍光体としては、例えばＧＥヘルスケア バイオサイエンス株式会社製のＣｙ２（吸収ピーク波長４９１ｎｍ、蛍光ピーク波長５０９ｎｍ）、Ｃｙ３（吸収ピーク波長５５３ｎｍ、蛍光ピーク波長５６９ｎｍ）、Ｃｙ５（吸収ピーク波長６４５ｎｍ、蛍光ピーク波長６６４ｎｍ）等を用いることができる。
【００４０】
ｃＤＮＡを蛍光体で標識するには、例えば、蛍光体で標識されたオリゴｄＴプライマや、標識されたｄＮＴＰミックスを用いてＲＴ−ＰＣＲ反応を実施すればよい。以下では、この標識されたｃＤＮＡを蛍光標識ＤＮＡという。
【００４１】
〔５−２〕ハイブリダイゼーション
まず、図７に示すように、蛍光標識ＤＮＡを含有した溶液（以下、蛍光標識ＤＮＡ）を固体撮像デバイス１０の受光面に塗布する。なお、蛍光標識ＤＮＡ溶液を各スポット６０，６０，…に順次又は同時に滴下してもよい。このとき、ＤＮＡが一本鎖となるように蛍光標識ＤＮＡ溶液は加熱されている。また、スポット６０のＤＮＡが一本鎖となるように固体撮像デバイス１０の受光面も加熱されている。
【００４２】
次いで、固体撮像デバイス１０を冷却する。すると、蛍光標識ＤＮＡ溶液内の蛍光標識ＤＮＡのうち、スポット６０のプローブＤＮＡと相補的な蛍光標識ＤＮＡは、そのプローブＤＮＡとハイブリダイズする。一方、プローブＤＮＡと相補的ではない蛍光標識ＤＮＡは、このスポット６０には結合しない。
【００４３】
その後、洗浄用バッファー溶液で蛍光標識ＤＮＡ溶液を固体撮像デバイス１０の受光面から洗い流し、蛍光標識ＤＮＡのうちハイブリダイズしなかったものを固体撮像デバイス１０の受光面から除去する。
【００４４】
〔５−３〕サンプルの検出
上記処理を行った後、生体高分子分析チップ１を、生体高分子分析支援装置７０にセッティングする。これにより、トップゲートドライバ７４、ボトムゲートドライバ７５及びドレインドライバ７６をそれぞれトップゲートライン２２ａ，２２ａ，…、ボトムゲートライン１２ａ，１２ａ，…、ドレインライン１９ａ，１９ａ，…に接続する。また、ソースライン１８ａ，１８ａ，…を一定電圧源に接続する。その後、制御部７１を起動する。
【００４５】
制御部７１が起動すると、制御部７１が光源８１を点灯させる。光源８１によってスポット６０，６０，…に第１励起光が照射される。そうすると、蛍光標識ＤＮＡがプローブＤＮＡに結合したスポット６０からは、蛍光が放出される。一方、蛍光標識ＤＮＡがプローブＤＮＡに結合したスポット６０からは、蛍光が放出されない。
【００４６】
そして、制御部７１は、光源８１を点灯した状態で、トップゲートドライバ７４、ボトムゲートドライバ７５及びドレインドライバ７６に制御信号を出力することによって固体撮像デバイス１０を駆動する。これにより、制御部７１は、ドレインドライバ７６から画像データを取得し、その画像データを記憶装置７２に記録する。
【００４７】
ここで、固体撮像デバイス１０の撮像動作について説明する。
トップゲートドライバ７４が１行目のトップゲートライン２２ａから最終行目のトップゲートライン２２ａへと順次リセットパルスを出力し、ボトムゲートドライバ７５がボトムゲートライン１２ａ，１２ａ，１２ａ，…に順次リードパルスを出力する。その際、ドレインドライバ７６が各行でリセットパルスが出力されているリセット期間と各行でリードパルスが出力されている期間との間に、プリチャージパルスを全てのドレインライン１９ａ，１９ａ，…に出力する。
【００４８】
ｉ行目の各受光素子２０の動作について詳細に説明する。図７に示すように、トップゲートドライバ７４がｉ行目のトップゲートライン２２ａにリセットパルスを出力すると、ｉ行目のトップゲートライン２２ａがハイレベルになる。ｉ行目のトップゲートライン２２ａがハイレベルになっている間（この期間をリセット期間という。）、ｉ行目の各受光素子２０では、半導体膜１４内や半導体膜１４とチャネル保護膜１５との界面近傍に蓄積されたキャリア（ここでは、正孔である。）が、トップゲート電極２２の電圧により反発して吐出される。
【００４９】
次に、トップゲートドライバ７４がｉ行目のトップゲートライン２２ａにリセットパルスを出力することを終了して、半導体膜１４に蛍光が入射することによって半導体膜１４内に生成された電子−正孔対のうちの正孔を電気的に捕捉するためのするため負電位（−２０〔Ｖ〕をトップゲートライン２２ａに出力する。つまり、ｉ行目のトップゲートライン２２ａのリセットパルスが終了してから、ｉ行目のボトムゲートライン４１にリードパルスが出力されるまでの間（この期間をキャリア蓄積期間という。）、光量に従った量の電子−正孔対が半導体膜１４内で生成されるが、そのうちの正孔がトップゲート電極２２の電界により半導体膜１４内や半導体膜１４とチャネル保護膜１５との界面近傍に蓄積される。
【００５０】
次に、キャリア蓄積期間中に、ドレインドライバ７６が全てのドレインライン１９ａ，１９ａ，…にプリチャージパルスを出力する。プリチャージパルスが出力されている間（プリチャージ期間という。）では、ｉ行目の各受光素子２０においては、トップゲート電極２２に印加されている電位が−２０〔Ｖ〕である。そうすると、この負電界によって半導体膜１４内や半導体膜１４とチャネル保護膜１５との界面近傍に蓄積された正孔による電界は、必然的に負電界を完全に相殺して半導体膜１４のチャネル領域にｎチャネルを形成する程度の正電界には成り得ない。そうすると、ボトムゲート電極１２に印加されている電位が±０〔Ｖ〕であるため、ドレイン電極１９とソース電極１８との間にプリチャージパルスの電位差が生じても半導体膜１４にはチャネルが形成されず、ドレイン電極１９とソース電極１８との間に電流は流れない。プリチャージ期間において、ドレイン電極１９とソース電極１８との間に電流が流れないため、ドレインライン１９ａ，１９ａ，…に出力されたプリチャージパルスによってｉ行目の各受光素子２０のドレイン電極１９に電荷がチャージされる。
【００５１】
次に、ドレインドライバ７６がプリチャージパルスの出力を終了するとともに、ボトムゲートドライバ７５がｉ行目のボトムゲートライン１２ａにリードパルスを出力する。ボトムゲートドライバ７５がｉ行目のボトムゲートライン１２ａにリードパルスを出力している間（この期間を、リード期間という。）では、ｉ行目の各受光素子２０のボトムゲート電極１２に＋１０〔Ｖ〕の電位が印加されているため、ｉ行目の各受光素子２０がオン状態になる。
【００５２】
リード期間においては、キャリア蓄積期間において蓄積されたキャリアがトップゲート電極２２の負電界を緩和するように働くため、入射される光量が十分あってキャリアの量が十分あれば、ボトムゲート電極１２の正電界とあわせて半導体膜１４にｎチャネルが形成されて、ドレイン電極１９からソース電極１８に電流が流れるようになる。従って、リード期間では、ドレインライン１９ａ，１９ａ，…の電圧は、ドレイン−ソース間電流によって時間の経過とともに徐々に低下する傾向を示す。
【００５３】
キャリア蓄積期間において半導体膜１４に入射した光量が多くなるにつれて、蓄積されるキャリアも多くなり、蓄積されるキャリアが多くなるにつれて、リード期間においてドレイン電極１９からソース電極１８に流れる電流のレベルも大きくなる。従って、リード期間におけるドレインライン１９ａ，１９ａ，…の電圧の減少傾向は、キャリア蓄積期間で半導体膜１４に入射した光量に深く関連する。
【００５４】
そして、ｉ行目のリード期間から次の（ｉ＋１）行目のプリチャージ期間までの間に、リード期間が開始してから所定の時間経過後のドレインライン１９ａ，１９ａ，…の電圧がドレインドライバ７６によって検出される。その電圧が光量を示し、その電圧が制御部７１に入力されてＡ／Ｄ変換される。
【００５５】
上述した一連の画像読み取り動作を１サイクルとして、全ての行の各受光素子２０にも同等の処理手順を繰り返すことにより、固体撮像デバイス１０の受光面における光量分布が画像データとして制御部７１に取得される。
【００５６】
以上のような固体撮像デバイス１０による撮像後、制御部７１が光源８１を消灯して、引き続き光源８２を点灯する。そして、制御部７１は、光源８２を点灯した状態で、トップゲートドライバ７４、ボトムゲートドライバ７５及びドレインドライバ７６により固体撮像デバイス１０を駆動する。これにより、制御部７１は、ドレインドライバ７６から画像データを取得し、その画像データを記憶装置７２に記録する。
【００５７】
次に、制御部７１は、光源８２を消灯し、引き続き光源８３を点灯する。そして、制御部７１は、光源８３を点灯した状態で、トップゲートドライバ７４、ボトムゲートドライバ７５及びドレインドライバ７６により固体撮像デバイス１０を駆動する。これにより、制御部７１は、ドレインドライバ７６から画像データを取得し、その画像データを記憶装置７２に記録する。
【００５８】
次に、制御部７１は、光源８３を消灯し、引き続き光源８４を点灯する。そして、制御部７１は、光源８４を点灯した状態で、トップゲートドライバ７４、ボトムゲートドライバ７５及びドレインドライバ７６により固体撮像デバイス１０を駆動する。これにより、制御部７１は、ドレインドライバ７６から画像データを取得し、その画像データを記憶装置７２に記録する。その後、制御部７１は、光源８４を消灯する。画像データには、固体撮像デバイス１０における各受光素子２０の位置と、各受光素子２０の出力とが含まれており、制御部７１は、プローブＤＮＡが設けられていないことによってハイブリダイゼーションが行われなかったスポット６０に対応する受光素子２０の出力の総和或いは平均値をバックグラウンド出力とし、プローブＤＮＡが設けられたスポット６０に対応する受光素子２０の出力の総和或いは平均値が最も高い領域の出力値をハイブリダイゼーションによるシグナル出力と設定する。ここで、光源８１によって取得されたバックグラウンド出力及びシグナル出力がそれぞれ１００、１１０、光源８２によって取得されたバックグラウンド出力及びシグナル出力がそれぞれ１００、１０８、光源８３によって取得されたバックグラウンド出力及びシグナル出力がそれぞれ１００、１１５、光源８４によって取得されたバックグラウンド出力及びシグナル出力がそれぞれ１００、１００であった。
【００５９】
以上により、光源８１〜８４による各画像データが記憶装置７２に記録される。制御部７１は、これらの画像データのうち、バックグラウンド出力に対するシグナル出力の比が最も大きい画像データを選択して、画像データに従った画像を出力装置７７に出力させることによって容易にハイブリダイゼーションを判断することができる。或いは、光源８１〜８４による各画像データの同一位置の受光素子２０の出力を加算したシグナル出力の加算値からバックグラウンド出力を減算しても、その差は、単一光源のときの差よりも大きく、ハイブリダイゼーションを容易に判断することができる。
【００６０】
以上のように本実施形態によれば、光源８１〜８４による画像データを処理した後に、その処理後の画像データに従った画像が出力装置７７に出力されるため、画像のうち蛍光を発した部分とそうでない部分との明暗の差（コントラスト）が大きくなる。そのため、出力された画像の中から蛍光を発した部分の特定が容易である。つまり、蛍光標識ＤＮＡと相補的なプローブＤＮＡのスポット６０を特定することが容易である。なお、光源８４のように、励起されない波長域の光を照射する光源を用いれば、バックグラウンド出力及びシグナル出力がほぼ同じ値となり、バックグラウンド出力をより把握できる。
上記実施形態では、ダブルゲートトランジスタを受光素子としたが、蛍光を受光できる素子であればこれに限らない。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】生体高分子分析支援装置の要部を示した斜視図である。
【図２】光源の特性を示したグラフである。
【図３】生体高分子分析チップの一部を示した平面図である。
【図４】固体撮像デバイスの画素を示した平面図である。
【図５】V−V矢視断面図である。
【図６】生体光高分子分析支援装置の構成を概略的に示したブロック図である。
【図７】固体撮像デバイスの信号の推移を示したチャートである。
【符号の説明】
【００６２】
１０ 固体撮像デバイス
６０ スポット
７０ 生体高分子分析支援装置
７１ 制御部
８１〜８４ 光源
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体撮像デバイスと、
既知の生体高分子からなり、前記固体撮像デバイスの受光面上に点在した複数種のスポットと、
前記固体撮像デバイスに向けて互いに異なるピーク波長域の光を照射する複数の光源と、を備えることを特徴とする生体高分子分析支援装置。
【請求項２】
前記複数の光源を順次点灯させるとともに、前記各光源が点灯している時に前記固体撮像デバイスに撮像動作を行わせて画像データを取得する制御部を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の生体高分子分析支援装置。
【請求項３】
前記制御部が、前記各光源が点灯している時に取得した画像データの加算、減算等の処理をすることを特徴とする請求項２に記載の生体高分子分析支援装置。
【請求項１】
固体撮像デバイスと、
既知の生体高分子からなり、前記固体撮像デバイスの受光面上に点在した複数種のスポットと、
前記固体撮像デバイスに向けて互いに異なるピーク波長域の光を照射する複数の光源と、を備えることを特徴とする生体高分子分析支援装置。
【請求項２】
前記複数の光源を順次点灯させるとともに、前記各光源が点灯している時に前記固体撮像デバイスに撮像動作を行わせて画像データを取得する制御部を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の生体高分子分析支援装置。
【請求項３】
前記制御部が、前記各光源が点灯している時に取得した画像データの加算、減算等の処理をすることを特徴とする請求項２に記載の生体高分子分析支援装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−７１９２８（Ｐ２０１０−７１９２８Ａ）
【公開日】平成２２年４月２日（２０１０．４．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２４２４２３（Ｐ２００８−２４２４２３）
【出願日】平成２０年９月２２日（２００８．９．２２）
【出願人】（０００００１４４３）カシオ計算機株式会社 (8,748)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月２日（２０１０．４．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月２２日（２００８．９．２２）
【出願人】（０００００１４４３）カシオ計算機株式会社 (8,748)
【Ｆターム（参考）】
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