JP2020000060A - Substrate for nucleic acid analysis, flow cell for nucleic acid analysis, and analysis method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、核酸分析用基板、フローセル、及び解析方法に係り、生体関連物質を計測するための核酸分析用のスポットパターン配置に関する。 The present invention relates to a nucleic acid analysis substrate, a flow cell, and an analysis method, and more particularly to a spot pattern arrangement for nucleic acid analysis for measuring a biological substance.
近年、核酸分析用装置においては、ガラス基板もしくはシリコン基板等によるフローセルに分析対象となるDNA断片を数多く担持して、これら数多くのDNA断片の塩基配列をパラレルに決定する方法が提案されている。この方法では、多数のDNA断片を含むフローセル上の分析領域に、塩基に対応する蛍光色素付き基質を導入し、当該フローセルに励起光を照射して個々のDNA断片から発せられる蛍光を検出して塩基を特定する。 2. Description of the Related Art In recent years, in a nucleic acid analyzer, a method has been proposed in which a flow cell formed of a glass substrate, a silicon substrate, or the like carries a large number of DNA fragments to be analyzed, and the base sequences of these numerous DNA fragments are determined in parallel. In this method, a substrate with a fluorescent dye corresponding to a base is introduced into an analysis region on a flow cell containing a large number of DNA fragments, and the flow cell is irradiated with excitation light to detect fluorescence emitted from each DNA fragment. Identify the base.
また、大量のDNA断片を解析するため、通常、分析領域は複数の検出視野に分けられ、一回照射するごとに検出視野を換えて全ての検出視野で分析を行った後、ポリメラーゼ伸長反応を用いて新たな蛍光色素付き基質を導入し、上述と同様な操作で各検出視野を分析する。これを繰り返すことで効率よく塩基配列を決定することができる(特許文献1参照)。 Also, in order to analyze a large amount of DNA fragments, the analysis region is usually divided into a plurality of detection fields, and after each irradiation, the detection field is changed and analysis is performed in all the detection fields. , A new substrate with a fluorescent dye is introduced, and each detection field is analyzed by the same operation as described above. By repeating this, the base sequence can be determined efficiently (see Patent Document 1).
このような分析に用いられる基板が、特許文献1や特許文献2に開示されている。特許文献1では、サンプルDNAが結合するスポットが基板上に格子配置されている。基板にはシリコンウェハが用いられ、フォトリソグラフィ技術とエッチング技術で作られる。シリコンウェハ上に疎水性のHMDS(hexamethyldisilazane)層を形成した後、ポジ型レジストを塗布する。フォトリソグラフィ技術を用いてレジストの所定の位置に開口部を設けた後、酸素プラズマを用いて開口部底のHMDSを除去する。その後、ウェハをアミノシラン気相中に保持し、開口部底にアミノシランを導入する。ウェハ上にレジスト塗布した後ダイシング加工し基板を切り出す。切り出された基板上のレジストを有機溶剤用いた超音波洗浄で除去した後、ポリウレタン製接着材を介してカバーガラスを貼りつけ核酸分析用のフローセルを作製する。親水性が高くDNA固定可能なアミノシランをDNAボール固定スポットに用い、その他の領域にDNAの吸着を防ぐ疎水性のHMDSを用いることで、DNAボール含む溶液を基板上に導入した時、自然にDNAボールをスポット上にのみ固定することを可能にしている。
Substrates used for such analysis are disclosed in
特許文献2では、スライドガラス上にアミノシランをコ−ティングし、2価性の架橋試薬1,4-diphenylen-diisothiocyanateで活性化した後、カスタムスポッティング装置を用いて、5’末端がアミノ化されたDNAオリゴマーを格子状に配置している。この後、DNAオリゴマーとDNAサンプルをハイブリダイズさせてDNAサンプルを格子状に固定している。以上のように、フローセルの分析領域に、DNA断片試料を固定されるためのスポットを配置される基板の形成技術が開発され、実用化されている。
In
上記のような分析では、基板上に配置されたスポット上に固定されたDNAサンプルから発せられる蛍光を撮像し、画像処理によって塩基を特定する。このためには蛍光画像である発光画像内の個々のスポットを正確に同定する必要がある。一般的に、同一の検出視野を撮像した蛍光撮像同士であっても、視野を変えるための駆動装置の制御精度の限界によって、撮像した位置はフローセル上で異なる。このため、あるスポットは、個々の発光画像内で異なる座標位置で撮像される。よって個々のスポットを正確に同定するためには、個々のスポットのフローチップ上の座標位置を正確に求める必要がある。 In the above-described analysis, fluorescence emitted from a DNA sample fixed on a spot placed on a substrate is imaged, and a base is specified by image processing. For this purpose, it is necessary to accurately identify individual spots in a luminescence image which is a fluorescence image. In general, even between the fluorescence images obtained by imaging the same detection visual field, the positions where the images are captured are different on the flow cell due to the limit of the control accuracy of the driving device for changing the visual field. For this reason, a certain spot is imaged at a different coordinate position in each light emission image. Therefore, in order to accurately identify each spot, it is necessary to accurately determine the coordinate position of each spot on the flow chip.
このような目的のためには、基板上の位置を決めるための基準マーカを基板上に配置して置く方法がある。しかし、基板の変形やレンズ歪を補正するためには基準マーカを高密度に配置しておく必要があり、かつそれらの形状は位置を決定するために一意である必要があり、これらを検出するための画像処理の負荷が大きいという課題がある。 For such a purpose, there is a method of arranging and placing a reference marker for determining a position on the substrate on the substrate. However, in order to correct the deformation of the substrate and the lens distortion, it is necessary to arrange the reference markers at a high density, and their shapes need to be unique to determine the position, and these are detected. There is a problem that the load of image processing is large.
また特許文献3に、スポットパターンそのものに位置情報を示すコードを持たせるという技術が開示されている。しかし、本発明に係る分析においては、全てのスポットパターンにDNAが必ずしも固定されるとは限らず、また、塩基の種類と蛍光フィルタの組み合わせにより、全ての発光画像にDNAサンプルのスポットが蛍光するとは限らない。このため特許文献3で開示されたコードパターン技術を、上記の分析の基板に適用することはできない。
上記のような、画像内の位置情報を示す基準マーカや、コードパターンを検出するのではなく、基準画像との画像相関マッチングによって撮像画像の個々のスポットの位置を検出する方法がある。ここで基準画像とは、その画像上のスポットの位置座標である位置情報が既知であり、スポットの設計情報から生成される画像である。もしくは、個々の検出視野で複数枚撮像された画像のうちのどれか一つの画像を基準画像として、他の画像のスポットを、参照画像上のスポットと対応づけしても良い。 As described above, there is a method of detecting the position of each spot of a captured image by image correlation matching with a reference image instead of detecting a reference marker or a code pattern indicating position information in an image. Here, the reference image is an image whose position information, which is the position coordinates of the spot on the image, is known and is generated from the design information of the spot. Alternatively, any one of a plurality of images captured in each detection field of view may be used as a reference image, and spots of other images may be associated with spots on a reference image.
しかしスポットパターンが格子状である場合、マッチングのために切り出される画像は、どの位置の画像も同じパターンとみえてしまうため、このパターンのみでは画像相関による位置検出が難しい。そこで位置合わせを可能とするようなスポットパターンの技術が開示されている。特許文献4では格子パターンに対し、疑似ランダムにスポットを欠損させたパターンにより、画像相関による位置合わせを技術する方法を開示している。特許文献5では、スポットパターンをブロックに分割し、隣接するブロック同士が異なる回転角度をもつようにすることで画像相関による位置合わせを可能とする技術が開示されている。
However, if the spot pattern has a lattice shape, the image cut out for matching looks like the image at any position as the same pattern, and it is difficult to detect the position by image correlation using only this pattern. In view of this, a technique of a spot pattern that enables alignment is disclosed.
しかしながら、特許文献4で示される疑似ランダムな欠損パターンを用いる場合、各スポットには必ずしもDNA断片が固定されるとは限らないため、位置合わせ対象画像のパターンと類似したランダムパターンが周囲に出現しやすく、そのために位置合わせの精度が落ちるという課題がある。
However, when a pseudo-random deletion pattern shown in
また特許文献5に開示されるスポットパターンでは、様々な角度の同一パターンが画像内に出現するため、位置合わせを行う2つの画像間の角度差を検出する場合に検出精度が落ちるという課題がある。
Further, in the spot pattern disclosed in
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、画像相関に基づく位置合わせを可能とするような高密度なスポットパターン配置による核酸分析用基板、核酸分析用フローセル、及び解析方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and provides a nucleic acid analysis substrate, a nucleic acid analysis flow cell, and an analysis method using a high-density spot pattern arrangement that enables alignment based on image correlation. The purpose is to do.
上記の目的を達成するため、本発明においては、基板と、基板の表面に形成された、生体高分子が付着するスポットのパターンと、を備え、スポットのパターンが形成される領域は複数のブロックに分割され、ブロックには、特定のパターンのスポットが形成され、互いに隣接する第1のブロックと第2のブロックは、スポットのパターンが同一であり、かつ位相のずれがある構成の核酸分析用基板を提供する。 In order to achieve the above object, according to the present invention, a substrate and a pattern of spots formed on a surface of the substrate and to which a biopolymer is attached are provided, and a region where the pattern of spots is formed is a plurality of blocks. And a first block and a second block adjacent to each other have the same spot pattern and a phase shift for nucleic acid analysis. Provide a substrate.
また、上記の目的を達成するため、本発明においては、基板と、基板の表面に形成された、生体高分子が付着するスポットのパターンと、を備え、スポットのパターンが形成される領域は複数のブロックに分割され、ブロックには、1つ以上の特定のパターンのスポットが形成され、互いに隣接する第1のブロックと第2のブロックでは、ブロックの形状又は大きさが異なる構成の核酸分析用基板を提供する。 In order to achieve the above object, according to the present invention, there is provided a substrate, and a spot pattern formed on the surface of the substrate and to which a biopolymer is attached, wherein a plurality of spot pattern regions are formed. , And one or more specific patterns of spots are formed on the block, and the first block and the second block adjacent to each other have different configurations or sizes of blocks for nucleic acid analysis. Provide a substrate.
更に、上記の目的を達成するため、本発明においては、解析方法であって、基板の表面に生体高分子が付着するスポットのパターンが形成され、スポットのパターンが形成される領域は複数のブロックに分割され、ブロックには、特定のパターンのスポットが形成され、互いに隣接する第1のブロックと第2のブロックでは、スポットのパターンが同一であり、かつ位相のずれがあり、基板の表面からの発光を撮像した発光画像の1つ以上の位置から切り出した1つ以上の対象画像と、基準画像の1つ以上の位置から切り出した1つ以上のテンプレート画像との間で位置合わせ処理を行う解析方法を提供する。 Furthermore, in order to achieve the above object, in the present invention, there is provided an analysis method, wherein a pattern of a spot where a biopolymer is attached to a surface of a substrate is formed, and a region where the pattern of the spot is formed is a plurality of blocks. The first block and the second block adjacent to each other have the same spot pattern and have a phase shift, and the blocks have a phase shift. Alignment processing is performed between one or more target images cut out from one or more positions of the light emission image obtained by capturing the light emission of one light source and one or more template images cut out from one or more positions of the reference image. Provide an analysis method.
本発明によれば、位置の同定が可能なスポットを高密度に配置した核酸分析用基板により、核酸分析のスループットを向上させることが可能となる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to improve the throughput of a nucleic acid analysis by the nucleic acid analysis board | substrate which has arrange | positioned the spot which can identify a position at high density.
以下、添付図面を参照して本発明の実施例について説明する。添付図面では、機能的に同じ要素は同じ番号で表示される場合もある。なお、添付図面は本発明の原理に則った具体的な実施例と実装例を示しているが、これらは本発明の理解のためのものであり、決して本発明を限定的に解釈するために用いられるものではない。すなわち、本明細書の記述は典型的な例示に過ぎず、特許請求の範囲又は適用例を如何なる意味に於いても限定するものではないことを理解する必要がある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the accompanying drawings, functionally the same elements may be represented by the same numbers. Although the attached drawings show specific embodiments and implementation examples in accordance with the principle of the present invention, these are for understanding of the present invention, and in order to limit the present invention in a limited manner. Not used. That is, it is to be understood that the description in the present specification is merely a typical example, and is not intended to limit the scope of the claims or the application examples in any way.
以下説明する種々の実施例では、当業者が本発明を実施するのに十分詳細にその説明がなされているが、他の実装・形態も可能で、本発明の技術的思想の範囲と精神を逸脱することなく構成・構造の変更や多様な要素の置き換えが可能であることを理解する必要がある。従って、以降の記述をこれに限定して解釈してはならない。また、各種の実施例による核酸分析用基板は、DNA断片を測定・解析対象としているが、DNAの他、RNAやたんぱく質等を対象としても良く、本発明は、生体関連物質の全般に適用可能である。 Although the various embodiments described below are described in sufficient detail for those skilled in the art to practice the present invention, other implementations and forms are possible, and the scope and spirit of the technical idea of the present invention are not limited. It is necessary to understand that the configuration and structure can be changed and various elements can be replaced without departing from the scope. Therefore, the following description should not be construed as being limited thereto. In addition, the substrate for nucleic acid analysis according to various embodiments targets a DNA fragment for measurement and analysis, but may target RNA, protein, and the like in addition to DNA, and the present invention can be applied to all biologically related substances. It is.
以下、本発明の種々の実施例を図面に従い順次説明するが、まず複数の実施例に共通する核酸分析装置の概略構成、DNAの塩基配列の解読処理、核酸分析用フローセル構成、核酸分析用基板構成等について説明する。 Hereinafter, various embodiments of the present invention will be sequentially described with reference to the drawings. First, a schematic configuration of a nucleic acid analyzer common to a plurality of embodiments, a decoding process of a base sequence of DNA, a flow cell configuration for nucleic acid analysis, a substrate for nucleic acid analysis The configuration and the like will be described.
(1)核酸分析装置
図1は、各実施例に係る核酸分析用基板を用いる核酸分析装置の概略構成例を示す。核酸分析装置100は、フローセル109と、送液系と、搬送系と、温調系と、光学系と、コンピュータ119と、を有する。フローセル109には、後述する各実施例の核酸分析用基板が備えられる。
(1) Nucleic Acid Analyzer FIG. 1 shows a schematic configuration example of a nucleic acid analyzer using the nucleic acid analysis substrate according to each embodiment. The
送液系は、フローセル109に試薬を供給する手段を提供する。送液系は、当該手段として、複数の試薬容器113を収容する試薬保管ユニット114と、試薬容器113へアクセスするノズル111と、上記試薬をフローセル109へ導入する配管112と、DNA断片と反応した試薬等の廃液を廃棄する廃液容器116と、廃液を廃液容器116へ導入する配管115と、を備えている。
The liquid supply system provides a means for supplying a reagent to the
搬送系は、後述するフローセル109の分析領域120を所定の位置に移動させるものである。搬送系は、フローセル109が置かれたステージ117と、同ステージを駆動する駆動用モータ(図示しない)と、を備える。ステージ117は、同一平面内において直交するX軸およびY軸の各方向に移動可能である。なお、ステージ117は、ステージ駆動用モータとは別の駆動用モータにより、XY平面に直交するZ軸方向への移動も可能である。
The transport system moves an
温調系は、DNA断片の反応温度を調整するものである。温調系は、ステージ117上に設置され、分析対象であるDNA断片と試薬の反応を促進させる温調基板118を備えている。温調基板118は、例えば、ペルチェ素子などにより実現される。
The temperature control system adjusts the reaction temperature of the DNA fragment. The temperature control system is provided on a
光学系は、後述するフローセル109の分析領域120へ励起光を照射し、DNA断片から発せられる蛍光を検出する手段を提供する。光学系は、光源107と、コンデンサレンズ110と、励起フィルタ104と、ダイクロイックミラー105と、バンドパスフィルタ103と、対物レンズ108と、結像レンズ102と、2次元センサ101と、によって構成される。励起フィルタ104と、ダイクロイックミラー105と、吸収フィルタとも称されるバンドパスフィルタ103は、フィルタキューブ106内にセットとして含まれている。バンドパスフィルタ103と励起フィルタ104とによって特定の波長を有する蛍光を通過させる波長領域が決まる。
The optical system provides a means for irradiating the
光学系における励起光の照射の流れを説明する。光源107から発せられる励起光は、コンデンサレンズ110で集光され、フィルタキューブ106に入射する。入射した励起光は、励起フィルタ104で特定の波長帯域のみが透過する。透過した光は、ダイクロイックミラー105で反射し、対物レンズ108によって、フローセル109上に集光する。
The flow of excitation light irradiation in the optical system will be described. Excitation light emitted from the
次に光学系における蛍光検出の流れを説明する。集光された励起光によって、フローセル109上に固定されたDNA断片に取り込まれた4種の蛍光体のうち、上記特定の波長帯域に励起する蛍光体が励起される。励起された蛍光体から発せられる蛍光は、ダイクロイックミラー105を透過し、バンドパスフィルタ103にて特定の波長帯域のみが透過され、結像レンズ02によって、2次元センサ101上に蛍光スポットとして結像する。
Next, the flow of fluorescence detection in the optical system will be described. The condensed excitation light excites the phosphor that excites in the specific wavelength band among the four types of phosphors incorporated in the DNA fragment fixed on the
本実施形態では、特定の波長帯域に励起する蛍光体は1種類のみとなるよう設計され、後述するように、この蛍光体の種類によって4種類の塩基をそれぞれ識別できるものとする。また、この4種類の蛍光体を順次検出できるように、照射光と検出光との波長帯域に応じてフィルタキューブ106が4セット用意され、これらを順次切り替えられるものとする。個々のフィルタキューブ106内の励起フィルタ104とダイクロイックミラー105と、バンドパスフィルタ103とは、それぞれの蛍光体を最も高感度で検出できるように透過特性が設計されている。
In the present embodiment, it is designed that only one type of phosphor is excited in a specific wavelength band, and it is assumed that four types of bases can be respectively identified by the type of this phosphor, as described later. Also, four sets of
コンピュータ119は、通常のコンピュータと同様、プロセッサ(CPU)と、記憶デバイス(ROMやRAM等の各種メモリ)と、入力装置(キーボード、マウス等)と、出力装置(プリンタ、ディスプレイ等)と、を備える。当該コンピュータは、上述の送液系、搬送系、温調系、及び光学系の制御を行う他、光学系の2次元センサ101で検出され、生成された蛍光画像を解析し、個々のDNA断片の塩基識別を行う制御処理部として機能する。ただし、上述の送液系、搬送系、温調系、及び光学系の制御や、画像解析、塩基識別は、必ずしも1つのコンピュータ119で制御処理されなくてもよく、処理負荷の分散や、処理時間軽減などの目的で、それぞれ制御部や処理部として機能する複数のコンピュータによって行われてもよい。
The
(2)DNA塩基配列の解読方法
図2乃至図4を参照してDNAの塩基配列の解読方法について説明する。なお、後述するように、フローセル109上には予め、同一のDNA断片が増幅されて密集した反応スポットが高密度に配置されているものとする。DNA断片の増幅には、一例としては特許文献2で示される環状DNAテンプレートを増幅する方法などの既存技術を用いてよい。
(2) Decoding Method of DNA Base Sequence A method of decoding a DNA base sequence will be described with reference to FIGS. As described later, it is assumed that reaction spots in which the same DNA fragment is amplified and densely arranged are arranged on the
図2は、DNAの塩基配列の解読のための処理工程を示す図である。解読のための全体のラン(S21)は、サイクル処理(S22)をM回繰り返すことで行われる。Mは求めたい塩基配列の長さであり、予め決められている。個々のサイクル処理は、k(k=1〜M)番目の塩基を特定するための処理であり、以下に述べるケミストリ処理(S23)と、イメージング処理(S24)とに分けられる。 FIG. 2 is a diagram showing processing steps for decoding the base sequence of DNA. The entire run for decoding (S21) is performed by repeating the cycle processing (S22) M times. M is the length of the base sequence to be determined and is determined in advance. Each cycle process is a process for specifying the k-th (k = 1 to M) base, and is divided into a chemistry process (S23) and an imaging process (S24) described below.
(A)ケミストリ処理:塩基を伸長するための処理
ケミストリ処理では、以下の手順(i)及び(ii)が行われる。
(i)先頭サイクル以外のサイクルであれば、直前サイクルの蛍光標識ヌクレオチド(後述)をDNA断片から除去し、洗浄する。このための試薬が配管112を介してフローセル109上に導入される。洗浄後の廃液は、配管115を介して廃液容器116へ排出される。
(ii)蛍光標識ヌクレオチドを含む試薬が、配管112を介してフローセル109上の分析領域120に流される。温調基板118によりフローセルの温度を調整することにより、DNAポリメラーゼにより伸張反応が生じ、反応スポット上のDNA断片に相補的な蛍光標識ヌクレオチドが取り込まれる。
(A) Chemistry treatment: treatment for extending a base In the chemistry treatment, the following procedures (i) and (ii) are performed.
(I) In the case of a cycle other than the first cycle, the fluorescently labeled nucleotide (described later) in the immediately preceding cycle is removed from the DNA fragment and washed. A reagent for this is introduced into the
(Ii) The reagent containing the fluorescent-labeled nucleotide is flowed to the
ここで、蛍光標識ヌクレオチドとは、4種類のヌクレオチド(dCTP、dATP、dGTP、dTsTP)が、それぞれ4種類の蛍光体(FAM、Cy3、Texas Red(TxR)、Cy5)により標識されたものである。それぞれの蛍光標識ヌクレオチドは、FAM−dCTP、Cy3−dATP、TxR−dGTP、Cy5−dTsTPと記される。これらのヌクレオチドは、DNA断片に相補的に取り込まれるため、実際のDNA断片の塩基がAであればdTsTPが、塩基CであればdGTPが、塩基GにはdCTPが、塩基TであればdATPがそれぞれ取り込まれる。すなわち、蛍光体FAMは塩基Gに、Cy3は塩基Tに、TxRは塩基Cに、Cy5は塩基Aにそれぞれ対応する。なお、各蛍光標識ヌクレオチドは、次の塩基に伸張することがないよう、3’末端がブロックされる。 Here, the fluorescence-labeled nucleotide is one in which four types of nucleotides (dCTP, dATP, dGTP, dTsTP) are labeled with four types of fluorophores (FAM, Cy3, Texas Red (TxR), Cy5), respectively. . Each fluorescently labeled nucleotide is denoted as FAM-dCTP, Cy3-dATP, TxR-dGTP, Cy5-dTsTP. Since these nucleotides are incorporated complementarily into the DNA fragment, if the base of the actual DNA fragment is A, dTsTP, if base C, dGTP, if base G, dCTP, if base T, dATP Are taken in respectively. That is, the phosphor FAM corresponds to the base G, Cy3 corresponds to the base T, TxR corresponds to the base C, and Cy5 corresponds to the base A. The 3 'end of each fluorescently labeled nucleotide is blocked so that it does not extend to the next base.
(B)イメージング処理:蛍光画像を生成する処理
イメージング処理(S24)は、以下に説明する検出視野毎のイメージング処理(S25)をN回繰り返すことで行われる。ここでNは検出視野の数である。
(B) Imaging Processing: Processing for Generating a Fluorescent Image The imaging processing (S24) is performed by repeating the imaging processing (S25) for each detection field described below N times. Here, N is the number of detection fields.
図3は、検出視野の概念を説明するための図である。検出視野121は、分析領域120の全体をN個に分けたときの個々の領域に相当する。検出視野121の大きさは、1回の蛍光検出により2次元センサ101で検出できる領域の大きさであり、光学系の設計により定められる。後述するように、個々の検出視野121に対して4種類の蛍光体に対応する蛍光画像が生成される。
FIG. 3 is a diagram for explaining the concept of the detection visual field. The detection
(B−1)検出視野毎のイメージング処理
検出視野イメージング処理(S25)では、以下の手順(i)乃至(iv)が行われる。
(i)蛍光検出を行う検出視野121が、対物レンズ108からの励起光が照射される位置にくるようにステージ117を移動する(S26)。
(ii)フィルタキューブ106を、蛍光体(FAM)に対応したセットに切り替える(S27)。
(iii)励起光を照射し、2次元センサ101を露光することで、蛍光画像を生成する。
(iv)他の種類の蛍光体(Cy3、TxR、Cy5)に対して手順(ii)及び(iii)を実行する。
(B-1) Imaging processing for each detection visual field In the detection visual field imaging processing (S25), the following procedures (i) to (iv) are performed.
(I) The
(Ii) The
(Iii) A fluorescent image is generated by irradiating the two-
(Iv) Perform steps (ii) and (iii) for other types of phosphors (Cy3, TxR, Cy5).
以上の処理を実行することにより、検出視野毎に、4種類の蛍光体(FAM、Cy3、TxR、Cy5)に対する蛍光画像が生成される。この蛍光画像には、個々のスポットに固定されたDNA断片の塩基種類に応じた蛍光体の信号が輝点として画像上に現れる。すなわち、FAMの蛍光画像で検出されるスポットは塩基A、Cy3の蛍光画像で検出されるスポットは塩基C、TxRの蛍光画像で検出されるスポットは塩基T、Cy5の蛍光画像で検出されるスポットは塩基G、と判定される。 By executing the above-described processing, fluorescence images for four types of phosphors (FAM, Cy3, TxR, Cy5) are generated for each detection visual field. In this fluorescent image, the signal of the fluorescent substance corresponding to the type of base of the DNA fragment fixed to each spot appears on the image as a luminescent spot. That is, the spot detected in the fluorescent image of FAM is base A, the spot detected in the fluorescent image of Cy3 is base C, the spot detected in the fluorescent image of TxR is the base T, and the spot detected in the fluorescent image of Cy5. Is determined to be base G.
図4は、個々の検出視野における4種類の蛍光画像のスポットの概念を示す図である。図4の(a)に示すように、例えば、あるサイクルにおけるある検出視野においてP1からP8の8つの位置にスポットがあり、それぞれの塩基がA、G、C、T、A、C、T、Gとする。このとき、4種類の蛍光体(Cy5、Cy3、FAM、TxR)に対する蛍光画像は、同(b)から(e)に示されるように、P1からP8の位置において、対応する塩基種類に応じてスポットが検出される。P1からP8の位置は、4つの蛍光画像で同一である。ただし、光学系の設計によっては、波長毎に光路の違いが生じるため、厳密には同一ではない可能性がある。このため、必要に応じて後述する位置合わせ処理を行うことにより4種類の蛍光画像のスポット位置を同一にすることができる。ただし、それぞれの蛍光体のフィルタの波長特性が互いに重なり合うクロストークが存在している場合には、ある塩基種類のスポットが二つ以上の蛍光画像で観測される。このときの塩基種類は、4種類の蛍光画像の信号強度の比によって識別することができる。以上によって、検出視野内で検出された個々のスポットの塩基種別が判定される。 FIG. 4 is a diagram illustrating the concept of spots of four types of fluorescent images in each detection visual field. As shown in FIG. 4A, for example, spots are present at eight positions P1 to P8 in a certain detection visual field in a certain cycle, and each base is A, G, C, T, A, C, T, G. At this time, the fluorescence images for the four types of phosphors (Cy5, Cy3, FAM, TxR) are, as shown in (b) to (e), at positions P1 to P8 according to the corresponding base type. A spot is detected. The positions of P1 to P8 are the same in the four fluorescence images. However, depending on the design of the optical system, there is a difference in the optical path for each wavelength, so it may not be exactly the same. For this reason, the spot positions of the four types of fluorescent images can be made the same by performing the alignment process described later as necessary. However, when there is crosstalk in which the wavelength characteristics of the filters of the respective phosphors overlap each other, spots of a certain base type are observed in two or more fluorescent images. The base type at this time can be identified by the ratio of the signal intensities of the four types of fluorescent images. As described above, the base type of each spot detected in the detection visual field is determined.
(C)サイクル処理の繰り返し
以上のサイクル処理を、所望の塩基配列の長さMの数だけ繰り返すことで、個々のスポットに対して、長さMの塩基配列を決定することができる。
(C) Repetition of Cycle Processing By repeating the above-described cycle processing for the number of desired base sequence lengths M, a base sequence of length M can be determined for each spot.
図5は、この塩基配列の決定の概念を示す図である。図5に示すように、個々のスポット(塩基配列ACGTATACGT...を持つDNA断片)において、あるサイクル(#N)のケミストリ処理によって一塩基分伸張させると、例えばCy3−dATPが取り込まれる。この蛍光標識ヌクレオチドは、イメージング処理において、Cy3の蛍光画像上のスポットとして検出される。同様に、サイクル(#N+1)ではCy5の蛍光画像上のスポットとして検出される。サイクル(#N+2)ではTxRの蛍光画像上のスポットとして検出される。サイクル(#N+3)ではFAMの蛍光画像上のスポットとして検出される。以上のサイクル#Nから、サイクル#N+3までのサイクル処理によって、このスポットにおける塩基配列はTACGと決定される。 FIG. 5 is a diagram showing the concept of this base sequence determination. As shown in FIG. 5, when an individual spot (a DNA fragment having the base sequence ACGTATACGT...) Is extended by one base by chemistry treatment in a certain cycle (#N), for example, Cy3-dATP is incorporated. This fluorescently labeled nucleotide is detected as a spot on the fluorescent image of Cy3 in the imaging process. Similarly, in the cycle (# N + 1), it is detected as a spot on the fluorescence image of Cy5. In the cycle (# N + 2), it is detected as a spot on the TxR fluorescent image. In the cycle (# N + 3), it is detected as a spot on the FAM fluorescence image. By the cycle processing from cycle #N to cycle # N + 3, the base sequence at this spot is determined to be TACG.
(3)スポットの位置合わせ
前述のように、検出対象であるDNA断片は、フローセル109上の基板に配置されたスポットに固定された状態で撮像され、個々のスポットは各サイクルの4つの蛍光画像上の輝点として観測される。前述のように、核酸分析装置100は、各サイクルで同一の検出視野を繰り返し撮像している。ただし、各サイクルではステージ117を移動させて検出視野を変えて撮像している。このため、同一の検出視野に対して、異なるサイクルの間では、ステージの移動に伴う位置ずれが生じる。この位置ずれはステージ117の制御誤差に起因する。
(3) Alignment of spots As described above, the DNA fragment to be detected is imaged in a state where it is fixed to the spots arranged on the substrate on the
図6は、サイクル間の位置ずれの概念を示す図である。図6に示すように、ある検出視野に対して(a)のNサイクル目と(b)の(N+1)サイクル目とでは、ステージ制御誤差により撮像位置がずれている可能性がある。このため、Nサイクルの蛍光画像である発光画像におけるDNA断片位置(P1〜P8)は、(N+1)サイクル目の発光画像上では異なる位置(それぞれP1’〜P8’)として検出される。ただし、これらの輝点は全て同じDNA断片に起因するものである。従って、個々のスポットの塩基配列を決定するためには、各発光画像で検出されたスポット間の位置ずれを補正する必要となる。 FIG. 6 is a diagram illustrating the concept of positional displacement between cycles. As shown in FIG. 6, the imaging position may be shifted due to a stage control error between the Nth cycle in (a) and the (N + 1) th cycle in (b) with respect to a certain detection visual field. For this reason, the DNA fragment positions (P1 to P8) in the luminescence image which is the N-cycle fluorescence image are detected as different positions (P1 'to P8', respectively) on the (N + 1) -th luminescence image. However, these bright spots are all caused by the same DNA fragment. Therefore, in order to determine the base sequence of each spot, it is necessary to correct the positional shift between the spots detected in each luminescence image.
この位置ずれを補正するためには、各発光画像を、共通の基準画像に対して位置合わせを行う必要がある。ここで、基準画像とは、スポットの位置座標系に用いる共通の画像である。例えば、スポットの位置が設計情報として既知であれば、既知のスポット位置から基準画像を作成してもよい。一例としては、スポット位置(x、y)を中心としてスポットサイズに応じた予め定義された分散の2次元ガウス分布に従う輝度の画像を作成すればよい。もしくは、撮像された実画像のいずれかをもとに基準画像を作成してもよい。一例としては、先頭サイクルの個々の検出視野の画像を基準画像とし、2サイクル目以降のそれぞれの検出視野の画像をこの基準画像に位置合わせしてもよい。 In order to correct this positional shift, it is necessary to align each light emission image with respect to a common reference image. Here, the reference image is a common image used for a spot position coordinate system. For example, if a spot position is known as design information, a reference image may be created from a known spot position. As an example, an image having a luminance according to a two-dimensional Gaussian distribution of a predefined variance according to the spot size with the spot position (x, y) as the center may be created. Alternatively, a reference image may be created based on one of the captured real images. As an example, the image of each detection field of view in the first cycle may be used as a reference image, and the image of each detection field of view after the second cycle may be aligned with this reference image.
画像間の位置合わせには、既知のマッチング技術を適用できる。一例として、基準画像の一部を切り出した画像をテンプレート画像t(x,y)として、入力画像の一部を切り出した対象画像f(x,y)との相互相関関数m(u,v)を求め、これの最大値を与えるS_1=(u,v)を位置ずれ量とする。ここでt(x、y)の一例としては、基準画像の中心における256画素×256画素の画像が挙げられる。同様にf(x,y)の一例としては、入力画像の中心における256画素×256画素の画像が挙げられる。位置ずれ量の計算には、相互相関関数の代わりに、明るさの違いを考慮した正規化相互相関を用いてもよいし、位相に限定された相関を用いても良い。なお、画像間の角度のずれ量を検出する場合には、画像を極座標変換することで、角度方向を水平方向に変換した画像に対して、上記の相互相関や位相限定相関を適用できる。 A known matching technique can be applied to the alignment between the images. As an example, an image obtained by cutting out a part of the reference image is used as a template image t (x, y), and a cross-correlation function m (u, v) with a target image f (x, y) obtained by cutting out a part of the input image is used. Is obtained, and S_1 = (u, v) which gives the maximum value thereof is set as the displacement amount. Here, an example of t (x, y) is an image of 256 pixels × 256 pixels at the center of the reference image. Similarly, an example of f (x, y) is an image of 256 pixels × 256 pixels at the center of the input image. Instead of the cross-correlation function, a normalized cross-correlation taking into account the difference in brightness may be used for calculating the amount of displacement, or a correlation limited to a phase may be used. When detecting the amount of angular deviation between images, the above cross-correlation and phase-only correlation can be applied to an image whose angle direction has been converted to a horizontal direction by performing polar coordinate conversion on the image.
また、この位置ずれ量は、画像の歪の度合いに応じて複数点求めてもよい。この概念を図7に示す。例えば、画像に歪がなく、全画素に対して同一の位置ずれ、すなわちステージによる一様なずれのみを仮定できる場合には、図7の(a)の左側に示す位置ずれ量S_1(u,v)を適用することができる。 In addition, this position shift amount may be obtained at a plurality of points according to the degree of image distortion. This concept is shown in FIG. For example, if there is no distortion in the image and it is possible to assume only the same positional deviation for all pixels, that is, only a uniform deviation due to the stage, the positional deviation amount S_1 (u, u, shown on the left side of FIG. v) can be applied.
一方、例えば、画像に歪があり、位置ずれ量が画像内の位置によって異なる場合(フローセル109が加熱によって変形し、位置ずれが一様でない場合)には、図7の(a)の右側に示すように、位置ずれ量を画像内のn個の複数点で求めておき、この複数点における位置ずれ量S_1、S_2、・・・S_nが求められる。各点における位置ずれ量の計算には、基準画像、入力画像における各点の位置を中心とした画像を切り出し、それぞれをテンプレート画像、対象画像とし、上述のように相関が最大となる位置ずれ量を計算すればよい。そして、得られたn個の位置ずれ量を基に、例えばアフィン変換や多項式変換の係数を最小二乗法で求めることで任意画素位置の位置ずれ量を定式化することができる(図7の(b)参照)
(4)フローセル及び核酸分析用基板
(A)核酸分析用フローセル
図8に各実施例で使用する核酸分析用フローセル109を示す。フローセル109は、核酸分析用基板801、中央部がくり抜かれた中抜き部803を持つ中抜きシート802、カバーガラス802を貼合わせる。中抜き部803と核酸分析用基板801とカバーガラス804で囲まれた中空部が流路となる。注入口807と排出口808が液の出入口となる。なお同図では、核酸分析用基板801の穴が注入口807、排出口808となっているが、別の形態では、カバーガラス804の穴が注入口、及び排出口となっても良い。また、さらなる別の形態として、中抜きシート802の側面に開けられた穴が注入口、及び排出口となっても良い。
On the other hand, for example, when the image is distorted and the amount of displacement differs depending on the position in the image (when the
(4) Flow Cell and Nucleic Acid Analysis Substrate (A) Nucleic Acid Analysis Flow Cell FIG. 8 shows a nucleic acid
(B)核酸分析用基板
核酸分析用基板801には、分析領域805内にDNA断片を固定されるための複数のスポット806が形成されている。基板上のスポットの形成には、特許文献1や特許文献2で示される既知の技術を用いてもよい。また一例として、図9に示すように、スポット以外の領域にブロッキング膜を備えることで、スポットに対するDNAサンプルの固定割合を高めてもよい。図9では基板901上にスポット902が形成され、このスポット902上にアミノ基を含むコーティング膜904が形成されて、スポット902がない領域上にブロッキング層903がコーティングされる。この基板にDNAサンプルを含む溶液を接触させることで、スポット上にDNAサンプルを高密度に固定することができる。
(B) Substrate for Nucleic Acid Analysis A plurality of
基板901に用いられる材料としては、特に制限なく、シリコン、ガラス、石英、サファイア、セラミック、フェライト、アルミナ、ダイヤモンドなどの無機材料、またはアルミニウム、SUS、チタン、鉄などの金属材料、またフェノール樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アルキド樹脂、ポリウレタン、熱硬化性ポリイミド、透明ポリイミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、ABS樹脂、AS樹脂、アクリル樹脂 ポリアミド、ナイロン、ポリアセタール、ポリカーボネート、変性ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、グラスファイバー強化ポリエチレンテレフタレート、環状ポリオレフィン、ポリフェニレンスルファイド、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、非晶ポリアリレート、液晶ポリマー、ポリエーテルエーテルケトン、などの樹脂材料及びこれらの混合材料やガラス繊維や炭素繊維強化無機材料を用いることもできる。これらの材料のなかで、DNAサンプルを蛍光で分析する場合や、分析中に温度の上げ下げが行われる場合などは、自家蛍光が低く、熱膨張係数が小さく、且つ分析溶液の耐性が高いシリコン、ガラス、石英、SUS、チタンなどが特に望ましい。
The material used for the
スポット902は、特許文献2に示される様なスポッティング装置や、リストオフなどの既知の技術を用いて形成される。用いられる材料としては、基板上に共有結合を介して形成できるようなものが良い。このような材料としては、基板表面に酸化膜を持つシリコン、ガラス、石英、サファイア、セラミック、フェライト、アルミナなどの無機材料やアルミニウム、SUS、チタン、鉄などの金属材料を用いる場合は、特にシランカップリング材が望ましい。また、シランカップリング材のなかでも、共有結合を介してアミノ基を含むコーティング膜を形成できるような反応性が高い官能基を持つものが良く、この様な官能基としては、ビニル基、エポキシ基、スチリル基、メタクリル基、アクリル基、アミノ基、ウレイド基、イソシアネート基、イソシアヌレート基、メルカプト基を分子内に持つエトキシシランやメトキシシランが挙げられる。
The
一つのスポット902に複数種類のDNAサンプルが固定されると、複数種類のDNAサンプルからの蛍光色素が検出されるため、正しく塩基を識別できなくなる。一方、スポット902のサイズが小さいと溶液中のDNAサンプルとの接触確率が低下し、DNAサンプルが固定されていないスポットが増え、塩基配列決定のスループットが低下する。従って、スポット902の直径は、DNAサンプルが一個のみが固定率高く固定できる様な、DNAサンプルの半分よりも大きいようなサイズが良い。この様なサイズは増幅されるDNAサンプルのサイズに依存する。一般に、DNAサンプルはそのサイズが50nm未満と小さいが、特許文献1や特許文献2に示されるような増幅DNAはそのサイズが50nm以上と大きい。そのため、このようなDNAサンプルを用いる場合には、スポット902のサイズとしては、直径50nm以上1000nm未満程度が望ましい。
When a plurality of types of DNA samples are fixed to one
スポットの中心と中心の間の距離であるピッチは、少なくとも用いるDNAサンプルのサイズよりも若干大きい方が望ましい。ピッチがDNAサンプルのサイズよりも小さいと複数のスポットにまたがって固定されてしまうため、先の塩基識別ができない問題が生じる。一方、ピッチが大きすぎると固定されるDNAサンプルの密度が下がってしまって、一度に分析できるDNAサンプルの個数が減ってしまう問題が生じる。従って、ピッチはスポットサイズと同様に50nm以上1000nm未満が望ましい。 It is desirable that the pitch, which is the distance between the centers of the spots, is slightly larger than at least the size of the DNA sample used. If the pitch is smaller than the size of the DNA sample, it will be fixed over a plurality of spots, and there will be a problem that the base cannot be identified earlier. On the other hand, if the pitch is too large, the density of the DNA sample to be fixed decreases, and the number of DNA samples that can be analyzed at once decreases. Therefore, the pitch is desirably 50 nm or more and less than 1000 nm, like the spot size.
ブロッキング層903は、DNAサンプルの基板901への吸着を防ぎ、且つDNAサンプルの基板へのアクセシビリティを高めてスポットへのDNAサンプル固定率を高められるものが良い。この様な材料としては、既知の例としては、末端がポリエチレングリコールやカルボン酸で処理されたシランカップリング材が挙げられる。
The
アミノ基を含むコーティング膜904は、DNAサンプル固定時にDNAサンプルとスポット上の官能基との接触率を高めるとともに、分析中にDNAサンプルがはがれなくするため、表面のアミノ基密度が高い材料を用いることがのぞましい。この様なコ−ティング膜としては、スポット上に導入された官能基と一分子内に複数のアミノ基を持つポリアミン類を反応させる方法がのぞましい。この様なポリアミンとしては、スペルミジン、プトレシン、スペルミンなどが挙げられるが、分子内に存在するアミノ基が多い点で樹状高分子が特に好ましい。この様な樹状高分子としてはポリアミドアミンデンドリマーが挙げられる。ポリアミドアミンデンドリマーはアルキルジアミンのコアと三級アミンの分岐構造からなる。コアと分子としては、エチレンジアミン、1,12-ジアミドデカン、1,4-ジアミノブタン、シスタミン、1,6-ジアミノヘキサンなどがある。樹状分子は、コア分子を取り巻く世代を増やすことで分子内の官能基を指数関数的に増やすことができる。本発明では、第一世代以降の樹状分子を用いることで、コーティング表面のアミノ基密度を大きく増やすことができる。
The
これらのポリアミン類は、スポット上の官能基と共有結合を形成している方が、スポットとコ−ティング膜の界面でのはがれを防止できる点でのぞましい。この様なスポットを形成する材料としては、分子内にアミノ基と反応可能な官能基を持つ材料が望ましく、ビニル基、エポキシ基、メタクリル基、アクリル基、イソチオシアヌレート基、イソシアネート基、イソシアヌレート基などを持つシランカップリング材、アルケン類、アルキン類などが挙げられる。また、スポット表面に反応性官能基を導入した後、多価性の架橋試薬を用いて、スポット上にアミン反応性の官能基を導入しても良い。この様な、アミン反応性の官能基としては、イソチオシアヌレート基、イソシアネート基、イソシアヌレート基、スルフォニルクロライド基、アルデヒド基、カルボジイミド基、アクリルアジド基、ルオロベンゼン基、カルボネート基、N-ヒドロキシスクシンイミドエステル基、イミドエステル基、エポキシ基、フルオロフェニルエステル基、酸無水物などが挙げられる。 It is preferable that these polyamines form a covalent bond with the functional group on the spot, because the polyamine can prevent peeling at the interface between the spot and the coating film. As a material for forming such a spot, a material having a functional group capable of reacting with an amino group in a molecule is desirable, and a vinyl group, an epoxy group, a methacryl group, an acryl group, an isothiocyanurate group, an isocyanate group, an isocyanurate Examples thereof include silane coupling materials having a group and the like, alkenes, alkynes, and the like. Alternatively, after introducing a reactive functional group on the spot surface, an amine-reactive functional group may be introduced on the spot using a polyvalent crosslinking reagent. Such amine-reactive functional groups include isothiocyanurate group, isocyanate group, isocyanurate group, sulfonyl chloride group, aldehyde group, carbodiimide group, acrylazide group, fluorobenzene group, carbonate group, N-hydroxysuccinimide ester Groups, imide ester groups, epoxy groups, fluorophenyl ester groups, acid anhydrides and the like.
(5)核酸分析用パターン配置
前述のように、核酸分析用基板上のスポットは、その数が多いほど塩基配列を決定できるDNA断片数が増すため、分析の計測スループットが向上する。しかし個々のスポットの塩基種類を識別するためには、スポットのサイズやスポット間の最小ピッチに制約がある。高密度にスポットを配置するパターンとしては、図10の(a)に示す正方格子パターン1001や図10の(b)に示す六方格子パターン1002などが挙げられる。しかしこれらの格子パターンは周期的であるため、スポットパターンに一意性がない。すなわち図10の(c)に示すように、スポットパターンのある位置の領域を切り出したスポットパターン画像1003と、別の位置の領域のスポットパターン画像1004とが極めて酷似する。このようにスポットパターンに一意性がないと、前述の画像位置合わせにおいて、ある位置のスポットパターン画像を別の位置のスポットパターン画像と誤検出してしまう可能性があるため、正確に位置ずれ量を算出することができない。
(5) Pattern Arrangement for Nucleic Acid Analysis As described above, as the number of spots on the substrate for nucleic acid analysis increases, the number of DNA fragments whose base sequence can be determined increases, so that the measurement throughput of analysis improves. However, in order to identify the base type of each spot, there are restrictions on the size of the spots and the minimum pitch between the spots. As a pattern for arranging spots at high density, a
以下、画像相関に基づく位置合わせを可能とするような高密度なスポットパターン配置による核酸分析用基板の実施例1−3について説明する。 Hereinafter, Examples 1-3 of the substrate for nucleic acid analysis using a high-density spot pattern arrangement that enables alignment based on image correlation will be described.
実施例1は、基板と、基板の表面には生体高分子が付着するスポットのパターンが形成され、スポットのパターンが形成される領域は複数のブロックに分割され、ブロックには特定のパターンのスポットが形成され、互いに隣接する第1のブロックと第2のブロックでは、スポットのパターンが同一であり、かつ位相のずれがある構成の核酸分析用基板、及びそれを用いた解析方法の実施例である。すなわち、本実施例による核酸分析用基板、及び核酸分析用パターン配列では、DNA断片が固定されるスポットパターン領域を、格子パターンを有するブロックに分割し、その隣り合うブロック同士は、格子パターンの位相が互いにずれている。 In the first embodiment, a substrate and a spot pattern to which a biopolymer is attached are formed on the surface of the substrate, an area where the spot pattern is formed is divided into a plurality of blocks, and each block has a specific pattern of spots. Is formed, and the first block and the second block adjacent to each other have the same spot pattern and a phase shift in the nucleic acid analysis substrate and the analysis method using the same. is there. That is, in the substrate for nucleic acid analysis and the pattern arrangement for nucleic acid analysis according to the present embodiment, the spot pattern region in which the DNA fragments are fixed is divided into blocks having a lattice pattern, and adjacent blocks are separated from each other by the phase of the lattice pattern. Are shifted from each other.
また、実施例1は、基板の表面に生体高分子が付着するスポットのパターンが形成され、スポットのパターンが形成される領域は複数のブロックに分割され、ブロックには、特定のパターンのスポットが形成され、互いに隣接する第1のブロックと第2のブロックでは、スポットのパターンが同一であり、かつ位相のずれがあり、基板の表面からの発光を撮像した発光画像の1つ以上の位置から切り出した1つ以上の対象画像と、基準画像の1つ以上の位置から切り出した1つ以上のテンプレート画像との間で位置合わせ処理を行う解析方法の実施例である。そして、テンプレート画像と、対象画像には、少なくとも互いに隣接する4つ以上のブロックのスポットのパターンが含まれている。 In the first embodiment, a spot pattern to which a biopolymer is attached is formed on the surface of the substrate, and a region where the spot pattern is formed is divided into a plurality of blocks. The first block and the second block that are formed and adjacent to each other have the same spot pattern and a phase shift, and are located at one or more positions of a luminescence image obtained by capturing luminescence from the surface of the substrate. 7 is an embodiment of an analysis method for performing a registration process between one or more target images cut out and one or more template images cut out from one or more positions of a reference image. The template image and the target image include at least spot patterns of four or more blocks adjacent to each other.
図11は、六方格子パターンをベースとした、位相が半位相異なる4つの基本ブロックのパターンの例を示している。同図ではパターンAを基準に、右方向に半位相ずらしたパターンAX、下方向に半位相ずらしたパターンAY、右方向と下方向に半位相ずらしたパターンAXYとを示している。なお、同図では位相ずれを視覚化するために、1位相単位の格子線(横と縦の比が2:√3)を記しているが、実際の基板上にはこの格子線は存在しない。以降の図においても同様である。以下、これら4つの基本ブロックA、AX、AY、AXYの組み合わせにより、画像位置合わせが可能となるような一意性の高いスポットパターンを構成する一例を説明する。なお、位相のずれは、上述の半位相、すなわち0.5に限定されず、好適には0.5±0.3のずれが望ましい。これは、上述したピッチやスポットサイズの大きさの取りうる範囲と同様の理由による。 FIG. 11 shows an example of a pattern of four basic blocks whose phases are different from each other by half a phase based on a hexagonal lattice pattern. The figure shows a pattern AX shifted by half a phase to the right with respect to the pattern A, a pattern AY shifted by a half phase downward, and a pattern AXY shifted by a half phase downward and right. Note that, in the figure, in order to visualize the phase shift, grid lines in one phase unit (the ratio of width to length is 2: √3) are shown, but this grid line does not exist on the actual substrate. . The same applies to the following drawings. Hereinafter, an example will be described in which a combination of these four basic blocks A, AX, AY, and AXY forms a highly unique spot pattern that enables image alignment. Note that the phase shift is not limited to the above-described half phase, that is, 0.5, but is preferably 0.5 ± 0.3. This is for the same reason as the above-mentioned range of the size of the pitch and the spot size.
図12に、4つの基本ブロックから成る、4通りの組み合わせによる中ブロック1、2、3、4の例を示す。図13乃至図16に、中ブロック1−4のそれぞれのスポットパターンを示す。図13乃至図16に示されるように、隣り合う中ブロック同士で位相が異なっており、かつブロック境界に接するスポット同士の距離が、常に六方格子パターンにおけるスポットピッチ以上となっている。またこれらの図より、中ブロック同士が接する境界においても同様である。
FIG. 12 shows an example of
図17に、これらの中ブロック1−4を配置した大ブロックの構成例を示す。同図に示される大ブロック1005は、16×16の中ブロック構成される。中ブロック1−4の配置順序は擬似乱数で生成している。大ブロックのサイズは16×16中ブロックに限られるものではなく1回の撮像視野にあわせてもよいし、上記の大ブロック1005を縦方向、横方向にそれぞれ繰り返すことで、基板上のスポット領域にスポットパターンを配置してもよい。
FIG. 17 shows a configuration example of a large block in which the middle blocks 1-4 are arranged. The
なお、図17で例えば灰色部としたように、局所的には中ブロックの並び順が類似する場合がある。こうした類似パターンによって位置合わせが失敗するリスクを減らすため、画像位置合わせを行うときのテンプレート画像と位置合わせの対象画像のサイズは少なくとも中ブロックよりは大きいサイドとし、切り出されえた画像内には、少なくとも4つ以上の基本ブロックA、AX、AY、AXYのパターンが含まれていることが望ましい。さらに画像内に多くの中ブロック1−4が含まれていることが望ましい。すなわち、基本ブロックのサイズや中ブロックのサイズは、画像の位置合わせを行うときに切り出される画像サイズに応じて、なるべく一意性が高くなるように決定することが望ましい。 Note that the arrangement order of the middle blocks may be locally similar, for example, as indicated by a gray portion in FIG. In order to reduce the risk of alignment failure due to such a similar pattern, the size of the template image and the target image for alignment at the time of image alignment should be at least a side larger than the middle block, and at least It is desirable that patterns of four or more basic blocks A, AX, AY, and AXY are included. Further, it is desirable that many middle blocks 1-4 are included in the image. That is, it is desirable that the size of the basic block and the size of the middle block be determined so as to increase the uniqueness as much as possible in accordance with the size of the image cut out when performing image alignment.
なお、基本ブロックのパターンの組み合わせや、中ブロック同士の組み合わせにおいては、ブロック境界に接するスポット同士の距離が、元の格子パターンのスポット間隔以上になるよう、考慮する必要がある。図18に、図11の基本ブロックAXYと基本ブロックAYとが縦方向に接する場合のスポットパターンを示す。同図から、ブロック境界の両側のスポット同士が、六方格子パターンにおけるスポットピッチよりも小さくなってしまう。本実施例では、このような組み合わせを回避するために、図12に示した中ブロック1〜4では、AXYとAYとを対角上に配置している。 In addition, in the combination of the patterns of the basic blocks and the combination of the middle blocks, it is necessary to consider that the distance between the spots in contact with the block boundaries is longer than the spot interval of the original grid pattern. FIG. 18 shows a spot pattern in the case where the basic block AXY and the basic block AY in FIG. From the figure, the spots on both sides of the block boundary are smaller than the spot pitch in the hexagonal lattice pattern. In this embodiment, in order to avoid such a combination, in the middle blocks 1 to 4 shown in FIG. 12, AXY and AY are arranged diagonally.
なお、図12で示した中ブロック1−4では、どの中ブロック同士が接していても、隣接するブロックの位相が異なるように考慮されている。すなわち同じ基本ブロックが接することがないようなパターン配置としている。 In the middle blocks 1-4 shown in FIG. 12, no matter which middle blocks are in contact with each other, the phases of adjacent blocks are considered to be different. That is, the pattern arrangement is such that the same basic block does not touch.
ただし、同じ基本ブロック同士が隣接した場合であっても、ブロック境界上のスポット配置を修正することで、同じ基本ブロック同士が隣接するようなパターンを許容することは可能である。図19では同じ基本ブロックが横方向に隣接するときの境界パターンを示している。図20では同じ基本ブロックが縦方向に隣接するときの境界パターンを示している。図19、20中、灰色のスポット1006の部分は、元の基本ブロック上には存在していないが、基本ブロック同士を隣接させたことで、境界上にスポットの隙間が生じる。このような場合には、境界上にこのような灰色のスポット1006を配置してもよい。
However, even when the same basic blocks are adjacent to each other, it is possible to allow a pattern in which the same basic blocks are adjacent to each other by correcting the spot arrangement on the block boundary. FIG. 19 shows a boundary pattern when the same basic blocks are adjacent in the horizontal direction. FIG. 20 shows a boundary pattern when the same basic block is adjacent in the vertical direction. In FIGS. 19 and 20, the
これらのことを考慮したうえで、図12に示した中ブロック1−4の組み合わせ数をさらに増やすことで、より一意性の高いスポットパターンを構成することも可能である。 Considering these facts, it is also possible to configure a spot pattern with higher uniqueness by further increasing the number of combinations of the middle blocks 1-4 shown in FIG.
また図19では、六方格子パターンをベースとした基本ブロックパターンA、AX、AY、AXYを示したが、その他のパターンをベースとすることも可能である。例えば図21に示すような正方格子パターンをベースとした基本ブロックパターンA、AX、AY、AXYでも同様の方法で、一意性の高いスポットパターンを生成することができる。上述のブロック境界付近でのスポットの扱いは、基本ブロックのパターンに応じて都度定義すればよい。 In FIG. 19, the basic block patterns A, AX, AY, and AXY based on the hexagonal lattice pattern are shown, but other patterns can be used as a base. For example, a spot pattern with high uniqueness can be generated by the same method using basic block patterns A, AX, AY, and AXY based on a square lattice pattern as shown in FIG. The treatment of the spot near the block boundary described above may be defined each time according to the pattern of the basic block.
以上で述べたように、実施例1による核酸分析用パターン配置、及び核酸分析用基板では、基板上のスポットパターン領域を、高密度なスポットパターンを元に、これらの位相をずらしたブロックを基本単位とした基本ブロックパターンでスポットを配置するため、高密度なスポット配置と、画像位置合わせが可能となるようなスポットパターンの一意性が確保されるため、解析スループット向上が実現できるようになる。 As described above, in the pattern arrangement for nucleic acid analysis and the substrate for nucleic acid analysis according to the first embodiment, the spot pattern area on the substrate is basically composed of blocks whose phases are shifted based on a high-density spot pattern. Since the spots are arranged in the basic block pattern as a unit, a high-density spot arrangement and the uniqueness of the spot pattern enabling image alignment can be ensured, so that an improvement in analysis throughput can be realized.
実施例2は、基板と、基板の表面には生体高分子が付着するスポットのパターンが形成され、スポットのパターンが形成される領域は複数のブロックに分割され、ブロックには1つ以上の特定のパターンのスポットが形成され、互いに隣接する第1のブロックと第2のブロックでは、ブロックの形状又は大きさが異なる構成の核酸分析用基板の実施例である。すなわち、実施例2は、実施例1と比較し、さらにパターンの一意性を高めるためのスポットパターン配置の実施例である。本実施例による好適な核酸分析用基板、及び核酸分析用パターン配置では、DNA断片が固定されるスポットパターン領域を、一つ以上の格子パターンを有するブロック領域に分割し、その隣り合うブロック同士は、格子パターンが異なり、かつブロックの形状又は大きさが異なるようにする。なお核酸分析用パターン配置以外の、核酸分析装置やフローセル、基板の構成等に関しては、上述の通りであり、ここでは説明を省略する。 In the second embodiment, a pattern of a spot on which a biopolymer is attached is formed on a substrate and a surface of the substrate, an area where the pattern of the spot is formed is divided into a plurality of blocks, and each block includes one or more specific areas. This is an embodiment of the substrate for nucleic acid analysis in which the first block and the second block adjacent to each other are formed with spots having the following patterns and the shapes or sizes of the blocks are different. That is, the second embodiment is an embodiment of the spot pattern arrangement for further improving the uniqueness of the pattern as compared with the first embodiment. In the preferred substrate for nucleic acid analysis and the pattern arrangement for nucleic acid analysis according to the present embodiment, the spot pattern region where the DNA fragment is fixed is divided into block regions having one or more lattice patterns, and adjacent blocks are separated from each other. , The grid patterns are different, and the shapes or sizes of the blocks are different. The configuration of the nucleic acid analyzer, the flow cell, the substrate and the like other than the nucleic acid analysis pattern arrangement are as described above, and the description is omitted here.
(1)核酸分析用パターン配置
本実施例では、格子パターンとしては、図10の(a)で示した正方格子パターン1001と、同図の(b)で示した六方格子パターン1002とを用いる。ただしこれらの格子パターンに限定せず、その他の幾何パターンを用いても良い。
(1) Pattern Arrangement for Nucleic Acid Analysis In this embodiment, a
図22および図23は、スポットパターン領域を異なるブロック形状、および異なるブロックサイズに分割する例である。図22ではスポットパターン領域2001を複雑なブロック形状に分割した例を示している。図23ではスポットパターン領域2002を正方形の中ブロックに分割し、さらに個々の中ブロックを異なる形状の長方形の基本ブロックに4分割した例を示している。ブロック形状が複雑な図22の方が、パターンの一意性は高くなることが期待できるが、様々な形状のブロック形状のスポットパターンを考慮するために設計が煩雑となる。実用上は、図23の分割パターンであっても位置合わせには問題ないことを確認済みである。以降では図23で示す分割パターンの例で述べる。なお、図23のスポットパターン領域2002の中ブロックは必ずしも正方形に限定されるものではなく、スポットパターンに応じて長方形であってもよい。
FIGS. 22 and 23 show examples in which the spot pattern area is divided into different block shapes and different block sizes. FIG. 22 shows an example in which the
長方形の基本ブロックは正方格子(図10の(a))か、六方格子(図10の(b))のいずれかのスポットパターンが配置されているものとする。本実施例では、隣り合うブロック同士が異なる格子パターンをもつようにするため、図23の各正方形内の4つの基本ブロックは、対角線同士が同じ格子パターンをもつように構成する。このパターン構成の一例を図24に示す。同図では、中ブロック2003内において、左上と右下の基本ブロックを六方格子パターン、右上と左下の基本ブロックを正方格子パターンとしている。ただし、図24ではブロック境界におけるスポットパターンを考慮していないため、境界付近で不要な空隙ができており、スポットの高密度化の観点からは改善の余地が高い。またスポットのパターンによっては、境界を跨いだスポット間の距離が小さくなり、塩基識別の精度が落ちるという問題も生じえる。
It is assumed that the rectangular basic block has a spot pattern of either a square lattice ((a) in FIG. 10) or a hexagonal lattice ((b) in FIG. 10). In this embodiment, in order to make adjacent blocks have different lattice patterns, four basic blocks in each square in FIG. 23 are configured so that diagonal lines have the same lattice pattern. FIG. 24 shows an example of this pattern configuration. In the figure, in the
よって各ブロック内のスポットパターンは、ブロック境界からスポットの最小ピッチDの半分以上離れていることが望ましい。また不要な空隙を減らすため、ブロック境界同士の組み合わせに応じて、境界をまたがるスポットを追加してもよい。 Therefore, it is desirable that the spot pattern in each block is separated from the block boundary by at least half of the minimum pitch D of the spot. Further, in order to reduce unnecessary voids, spots across the boundaries may be added according to the combination of the block boundaries.
図25に、ブロック境界からスポットの最小ピッチDの半分以上離れた2つの格子パターンを示す。同図の(a)、(b)はそれぞれ正方格子パターン2004、六方格子パターン2005を示している。これらの格子パターンには、同図の(c)に示すように、参照ブロック境界2006から最小ピッチDの1/2以上離れたスポット領域内にスポットの中心があるように配置されている。
FIG. 25 shows two grid patterns separated from the block boundary by at least half the minimum pitch D of the spots. FIGS. 7A and 7B show a
図26に、図25で示した正方格子の基本ブロックと六方格子の基本ブロックとが接する組み合わせを示している。同図の(a)は正方格子ブロック2004と六方格子ブロック2005とが上下に接するケースである。同図の(b)はこれらが左右に接するケースである。同図の(c)は右上と左下の正方格子の基本ブロックとが接するケースである。同図(d)は左上と右下の六方格子の基本ブロックとが接するケースである。いずれのケースもブロック境界をまたがったスポット間の距離が最小ピッチD未満になることはない。また同図の(a)(b)(c)のケースではブロック境界付近には余分な空隙がない。しかし同図の(d)では灰色で示すスポット位置が空隙となっている。よって同図の(d)のパターンの組み合わせにおいては、ブロック境界にまたがる灰色のスポット2007を追加することでスポット数を増やしてもよい。なお、同図の(a)では上下が逆のケース、同図の(b)では左右が逆のケースも存在するが、同図のケースでは同じ特性であるため、説明を省略している。また、図26で示した組み合わせで空隙が生じるかどうかは、ブロック形状やパターン、スポット領域のサイズ(ブロック境界からの距離)によって依存するため、それぞれに応じた、ブロック境界のスポット最適化のルールを定義してよい。
FIG. 26 shows a combination in which the basic block of the square lattice and the basic block of the hexagonal lattice shown in FIG. 25 are in contact with each other. FIG. 14A shows a case where a
図27に、上述の図25、図26で示したブロック境界を考慮した基本ブロックにより構成される中ブロック2008のスポットパターンの例を示す。図24に比べて空隙が減っており、スポット数が増加している。図27に示されるような4つの基本ブロックの縦、横のサイズを様々に変化させることで、一意性の高いスポットパターンを実現できる。
FIG. 27 shows an example of the spot pattern of the
図28及び図29を用いてこのようなスポットパターンを構成する一例を示す。図28の(a)では、中ブロックを横方向に2:3に分割し、左側を縦方向に4:1に分けてそれぞれ基本ブロックA、Bとし、右側を2:3に分けてそれぞれ基本ブロックC、Dとしている。図28の(b)では、中ブロックを横方向に1:4に分割し、左側を縦方向に3:2に分けてそれぞれ基本ブロックE、Fとし、右側を1:4に分けてそれぞれ基本ブロックG、Hとしている。図28の(c)では、このような基本ブロックA,B,C,Dの並べ替えにより1乃至8の組み合わせによる中ブロック1−8を定義している。同様に基本ブロックE,F,G,Hの並べ替えにより9乃至16の組み合わせによる中ブロック9−16を定義している。なお、それぞれの中ブロック1−16では、図24の例で述べたように、左上と右下の基本ブロックには六方格子パターンが、右上と左下の基本ブロックには正方格子パターンがそれぞれ配置されている。以上のようにして、隣り合うブロック同士で、格子パターンと、ブロック形状が異なるように分割したブロックパターンを16種類作成する。 An example of configuring such a spot pattern will be described with reference to FIGS. In (a) of FIG. 28, the middle block is divided into 2: 3 in the horizontal direction, the left side is divided into 4: 1, and the basic blocks are divided into 4: 1, and the right side is divided into 2: 3, respectively. Blocks C and D are used. In (b) of FIG. 28, the middle block is divided into 1: 4 in the horizontal direction, the left side is divided into 3: 2 in the vertical direction, and the basic blocks are respectively E and F, and the right side is divided into 1: 4 to form the basic blocks. Blocks G and H are used. In FIG. 28C, a middle block 1-8 is defined by a combination of 1 to 8 by rearranging the basic blocks A, B, C, and D. Similarly, by rearranging the basic blocks E, F, G, and H, a middle block 9-16 is defined by a combination of 9 to 16. In each of the middle blocks 1-16, as described in the example of FIG. 24, a hexagonal lattice pattern is arranged in the upper left and lower right basic blocks, and a square lattice pattern is arranged in the upper right and lower left basic blocks. ing. As described above, 16 types of block patterns which are divided so that the adjacent blocks have different lattice shapes and block shapes are created.
図29は、核酸分析用基板のスポット領域内のある領域2009を16×16の中ブロックで構成される大ブロックとし、1から16までの擬似乱数を発生させて中ブロック1−16の並びを決定した例である。これにより、各ブロックパターンが不規則に配置されるため、一意性の高いスポットパターンを構成できる。
FIG. 29 shows that a
なお、図29の大ブロックのサイズは16×16の中ブロックに限られるものではなく1回の撮像視野にあわせてもよいし、上記の大ブロックを縦方向、横方向にそれぞれ繰り返すことで、基板上のスポット領域にスポットパターンを配置してもよい。また図28に示す例では16種類のブロックパターンを作成しているが、さらに多くの形状から成る組み合わせパターンを作成してもよい。また図29では同図では縦方向や横方向に同じ数値が連続している箇所が見られる。このような場所では、連続している方向に対しての位置合わせの精度が落ちるリスクがあるため、必要に応じてさらに同じ数値が連続しないように数値の入れ替えを行ってもよい。 The size of the large block in FIG. 29 is not limited to the 16 × 16 middle block, and may be adjusted to one imaging field of view. By repeating the large block in the vertical and horizontal directions, A spot pattern may be arranged in a spot area on the substrate. Although 16 types of block patterns are created in the example shown in FIG. 28, a combination pattern having more shapes may be created. Also, in FIG. 29, the same numerical value is continuously observed in the vertical and horizontal directions. In such a place, there is a risk that the accuracy of the alignment in the continuous direction may be reduced. Therefore, if necessary, the numerical values may be replaced so that the same numerical value does not continue.
また、画像相関を計算する切り出し画像、すなわちテンプレート画像と位置合わせ対象画像内には、これらの切り出し画像サイズを中ブロックよりも大きくすることで、少なくとも4つ以上の基本ブロックが含まれていることが望ましい。さらに画像内に多くの中ブロックが含まれていることが望ましい。これにより、切り出し画像内において、格子パターンと、その大きさや形状の違いによって一意性が高くなる。すなわち、実施例1と同様、ブロックのサイズは、画像の位置合わせを行うときに切り出される画像サイズに応じて、なるべく一意性が高くなるように決定することが望ましい。 Also, at least four or more basic blocks are included in the cut-out image for calculating the image correlation, that is, in the template image and the alignment target image, by making these cut-out image sizes larger than the middle block. Is desirable. Further, it is desirable that many middle blocks are included in the image. As a result, uniqueness is increased in the cut-out image due to the difference between the lattice pattern and its size or shape. That is, as in the first embodiment, it is desirable that the size of the block is determined so as to increase the uniqueness as much as possible according to the size of the image cut out when performing image alignment.
なお、本実施例は、同一のパターン同士を組み合わせることによっても、一意性のあるスポットパターンの生成が可能である。ただしブロック境界以外においては同一パターンとなるため、パターンとしての類似性が高くなり、位置合わせの精度が落ちるリスクはある。このため、同一パターンを用いる場合には、画像の位置合わせを行うときに切り出される画像サイズに対して、ブロックサイズをより小さくすることで、ブロック境界が多く含まれるようにすることが望ましい。 In this embodiment, a unique spot pattern can be generated by combining the same patterns. However, since the pattern is the same except at the block boundary, the similarity as the pattern is high, and there is a risk that the accuracy of the positioning is reduced. For this reason, when the same pattern is used, it is desirable that the block size is made smaller than the image size cut out at the time of aligning the images so that many block boundaries are included.
以上で述べたように、実施例2による核酸分析用パターン配置、及び核酸分析用基板では、基板上のスポットパターン領域を、1つ以上のスポットパターンを元に、さらに形状や大きさの異なるブロックを基本単位としたパターンでスポットを配置するため、実施例1に比べ、さらにスポットパターンの一意性が確保されることで、画像位置合わせの精度が向上し、塩基識別の精度向上が実現できるようになる。 As described above, in the pattern arrangement for nucleic acid analysis and the substrate for nucleic acid analysis according to Example 2, the spot pattern area on the substrate is divided into blocks having different shapes and sizes based on one or more spot patterns. Since the spots are arranged in a pattern in which is a basic unit, compared to the first embodiment, the uniqueness of the spot pattern is further ensured, so that the accuracy of image alignment is improved and the accuracy of base identification can be improved. become.
実施例3は、実施例1と実施例2の構成の組み合わせにより、さらに高密度かつパターンの一意性を高めるためのスポットパターン配置の実施例である。すなわち、基板と、基板の表面に形成された、生体高分子が付着するスポットのパターンと、を備え、スポットのパターンが形成される領域は複数のブロックに分割され、ブロックには、特定のパターンのスポットが形成され、互いに隣接する第1のブロックと第2のブロックは、スポットのパターンが同一であり、かつ位相のずれがあり、ブロックの形状又は大きさが異なる構成の核酸分析用基板の実施例である。 The third embodiment is an example of a spot pattern arrangement for further increasing the density and the uniqueness of the pattern by combining the configurations of the first and second embodiments. That is, a substrate and a pattern of spots formed on the surface of the substrate and to which a biopolymer is attached are provided. The area where the spot pattern is formed is divided into a plurality of blocks, and each block has a specific pattern. The first block and the second block adjacent to each other have the same spot pattern, are out of phase, and have different block shapes or sizes. This is an example.
本実施例による核酸分析用パターン配置、及び核酸分析用基板では、及びそのスポットパターン配置では、DNA断片が固定されるスポットパターン領域を、一つ以上の格子パターンを有するブロック領域に分割し、その隣り合うブロック同士は、一つの格子パターンをベースとした、互いに位相が異なるパターンを有し、かつブロックの形状又は大きさが異なるようにすることを特徴とする。なお核酸分析用パターン配置以外の、核酸分析装置やフローセル、基板の構成等に関しては、実施例1、2と同様であるため、ここでは説明は省略する。 In the pattern arrangement for nucleic acid analysis according to the present embodiment, and the substrate for nucleic acid analysis, and in the spot pattern arrangement, the spot pattern area where the DNA fragment is fixed is divided into block areas having one or more lattice patterns, and Adjacent blocks have a pattern based on one lattice pattern and different phases from each other, and have different shapes or sizes of blocks. The configuration of the nucleic acid analyzer, the flow cell, the substrate, and the like other than the arrangement of the pattern for nucleic acid analysis are the same as those of the first and second embodiments, and thus the description thereof is omitted.
(1)核酸分析用パターン配置
実施例2において用いた六方格子パターン2005と正方格子パターン2004とでは、同じピッチでスポットを配置する場合、前者の方がより高密度にスポットを配置することができる。
(1) Pattern arrangement for nucleic acid analysis In the
そこで本実施例では、図11に示した六方格子パターンをベースとした位相がそれぞれ異なる4つのパターンA、AX、AY及びAXYを含み、形状の異なる基本ブロックを形成する。そして、実施例2と同様、形状の異なる基本ブロックの組み合わせによって中ブロックを構成する。図30に、中ブロック1−16の例を示す。同図では図28で示したと16種類の中ブロック内で、左上の基本ブロックをパターンA、右上の基本ブロックをパターンAXY、左下の基本ブロックをパターンAY、右下の基本ブロックをAXと定義した。このように中ブロック内のパターン位置を固定することで、中ブロック同士が隣接する場合でも、ブロック境界において不要な空隙が生じることを防ぎ、かつブロック境界をまたがるスポット同士の距離が、六方格子パターンのピッチ未満になることを回避することができる。ただし、中ブロックにおける基本ブロックの定義は、図30に限定されるものではなく、基本ブロックのパターンの組み合わせや形状の組み合わせによって、中ブロックの種類を増やすことも可能である。 Therefore, in this embodiment, basic blocks having different shapes including four patterns A, AX, AY, and AXY having different phases based on the hexagonal lattice pattern shown in FIG. 11 are formed. Then, similarly to the second embodiment, the middle block is configured by a combination of basic blocks having different shapes. FIG. 30 shows an example of the middle block 1-16. In FIG. 28, as shown in FIG. 28, the upper left basic block is defined as pattern A, the upper right basic block is defined as pattern AXY, the lower left basic block is defined as pattern AY, and the lower right basic block is defined as AX. . By fixing the pattern position in the middle block in this way, even when the middle blocks are adjacent to each other, unnecessary gaps are prevented from being generated at the block boundaries, and the distance between spots across the block boundaries is reduced by the hexagonal lattice pattern. Can be avoided. However, the definition of the basic block in the middle block is not limited to that shown in FIG. 30, and it is also possible to increase the types of the middle block by a combination of patterns and shapes of the basic blocks.
なお、本実施例における基本ブロックは、実施例1の基本ブロックの形状と異なっているが、図11で示される基本ブロックを並べることで作成できる。そして図19、図20で述べたように空隙が生じる箇所には空隙のスポットを新たに追加したパターンを改めて基本ブロックと定義してよい。 The basic block in this embodiment is different from the basic block in the first embodiment, but can be created by arranging the basic blocks shown in FIG. As described with reference to FIGS. 19 and 20, a pattern in which a spot of a gap is newly added to a place where a gap occurs may be defined as a basic block again.
図31に、図30における中ブロック1のスポットパターン例を示す。図31で示すスポットパターンにおいて、太枠で記されるブロックが、本実施例における、形状の異なる基本ブロックとなる。上記のようにして生成された16種類の中ブロック1−16を用いて、大ブロックを構成する方法は、実施例2と同様であるので説明は省略する。
FIG. 31 shows an example of the spot pattern of the
以上で述べたように、実施例3による核酸分析用パターン配置、及び核酸分析用基板では、基板上のスポットパターン領域を、高密度な1つのスポットパターンを元に、さらに形状や大きさの異なるブロックを基本単位としたパターンでスポットを配置するため、実施例1に比べてさらにスポットパターンの一意性が確保され、画像位置合わせの精度が向上し、塩基識別の精度向上が実現できるようになる。また、実施例2に比べてスポットの密度が向上するため、塩基配列の解析スループット向上が実現できるようになる。 As described above, in the pattern arrangement for nucleic acid analysis and the substrate for nucleic acid analysis according to Example 3, the spot pattern area on the substrate is further different in shape and size based on one high-density spot pattern. Since the spots are arranged in a pattern using blocks as a basic unit, the uniqueness of the spot pattern is further secured as compared with the first embodiment, the accuracy of image alignment is improved, and the accuracy of base identification can be improved. . In addition, since the spot density is higher than that in Example 2, it is possible to realize an improvement in the throughput of base sequence analysis.
以上説明した本発明の核酸分析用フローセル、又は核酸分析装置を用いて、種々の核酸反応を検出し、DNAシーケンス等の核酸の分析を行うことができる。本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明のより良い理解のために詳細に説明したのであり、必ずしも説明の全ての構成を備えるものに限定されるものではない。上述した各実施例の核酸分析用基板は、DNA断片を測定・解析対象としているが、DNAの他、RNAやたんぱく質等他の生体関連物質を対象としても良い。 Using the nucleic acid analysis flow cell or nucleic acid analyzer of the present invention described above, various nucleic acid reactions can be detected, and nucleic acid analysis such as DNA sequencing can be performed. The present invention is not limited to the embodiments described above, and includes various modifications. For example, the above-described embodiments have been described in detail for a better understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described. Although the nucleic acid analysis substrate of each of the above-described embodiments is used for measuring and analyzing DNA fragments, it may be used for other bio-related substances such as RNA and protein in addition to DNA.
更に、上述した各構成、機能、コンピュータ等は、それらの一部又は全部を実現するプログラムを作成する例を中心に説明したが、それらの一部又は全部を例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現しても良いことは言うまでもない。すなわち、処理部の全部または一部の機能は、プログラムに代え、例えば、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FPGA(Field Programmable Gate Array)などの集積回路などにより実現してもよい。 Furthermore, although each of the above-described configurations, functions, computers, and the like has been described mainly with respect to an example in which a program that realizes some or all of them is created, a part or all of the hardware is designed by, for example, designing an integrated circuit. Needless to say, it may be realized by hardware. That is, all or a part of the functions of the processing unit may be realized by an integrated circuit such as an ASIC (Application Specific Integrated Circuit) or an FPGA (Field Programmable Gate Array) instead of a program.
以上説明した本願明細書には、特許請求の範囲に記載した発明以外に、種々の発明が記載されている。その一部を次に列記する。 In the present specification described above, various inventions are described in addition to the inventions described in the claims. Some of them are listed below.
<列記1>
基板上のスポットを解析する解析方法であって、
基板の表面には生体高分子が付着するスポットのパターンが形成され、
該スポットのパターンが形成される領域は複数のブロックに分割され、
該ブロックには、特定のパターンのスポットが形成され、
互いに隣接する第1の該ブロックと第2の該ブロックでは、ブロックの形状又は大きさが異なり、
該基板の表面からの発光を撮像した発光画像を入力とし、
該発光画像の1つ以上の位置から切り出した1つ以上の対象画像と、基準画像の1つ以上の位置から切り出した1つ以上のテンプレート画像との間で、それぞれ位置合わせ処理を行う、
ことを特徴とする解析方法。
<
An analysis method for analyzing spots on a substrate,
A pattern of spots to which biopolymers are attached is formed on the surface of the substrate,
The area where the spot pattern is formed is divided into a plurality of blocks,
In the block, spots of a specific pattern are formed,
The first block and the second block adjacent to each other have different shapes or sizes of the blocks,
A light emission image obtained by capturing light emission from the surface of the substrate is input,
Performing alignment processing between one or more target images cut out from one or more positions of the light-emitting image and one or more template images cut out from one or more positions of the reference image,
An analysis method characterized by that:
<列記2>
列記1の解析方法であって、
該基準画像は、該スポットのパターンの位置情報を元に作成される、
ことを特徴とする解析方法。
<
The analysis method of
The reference image is created based on position information of the spot pattern.
An analysis method characterized by that:
<列記3>
列記1の解析方法であって、
該基準画像は、複数の該発光画像のうちのいずれかである、
ことを特徴とする解析方法。
<
The analysis method of
The reference image is any one of the plurality of light emission images,
An analysis method characterized by that:
<列記4>
列記1の解析方法であって、
該テンプレート画像と、該対象画像には、少なくとも互いに隣接する4つ以上のブロックのスポットのパターンが含まれている、
ことを特徴とする解析方法。
<
The analysis method of
The template image and the target image include at least spot patterns of four or more blocks adjacent to each other.
An analysis method characterized by that:
<列記5>
列記1の解析方法であって、
該ブロックには、特定のパターンのスポットが形成され、
互いに隣接する第1の該ブロックと第2の該ブロックでは、スポットのパターンが同一であり、かつ位相のずれがある、
ことを特徴とする解析方法。
<
The analysis method of
Spots of a specific pattern are formed on the block,
In the first block and the second block adjacent to each other, the pattern of the spot is the same, and there is a phase shift.
An analysis method characterized by that:
1−16、2003、2008 中ブロック
100 核酸分析装置
101 2次元センサ
102 結像レンズ
103 バンドパスフィルタ
104 励起フィルタ
105 ダイクロイックミラー
106 フィルタキューブ
107 光源
108 対物レンズ
109 フローセル
112、115 配管
113 試薬容器
114 試薬保管ユニット
116 廃液容器
117 ステージ
118 温調基板
119 コンピュータ
120 分析領域
121 検出視野
801、901 基板
802 中抜きシート
803 中抜き部
804 カバーガラス
805 分析領域
806、902 スポット
807 注入口
808 排出口
903 ブロッキング層
904 コーティング膜
1001、2004 正方格子パターン
1002、2005 六方格子パターン
1003、1004 スポットパターン画像
1005 大ブロック
1006、2007 スポット
2001、2002 スポットパターン領域
2006 参照ブロック境界
2009 領域
1-16, 2003, 2008 Middle block 100
Claims (17)
前記基板の表面に形成された、生体高分子が付着するスポットのパターンと、を備え、
前記スポットのパターンが形成される領域は複数のブロックに分割され、前記ブロックには、特定のパターンのスポットが形成され、互いに隣接する第1の前記ブロックと第2の前記ブロックは、前記スポットのパターンが同一であり、かつ位相のずれがある、
ことを特徴とする核酸分析用基板。 Board and
Formed on the surface of the substrate, a pattern of spots to which biopolymers are attached,
The area where the pattern of spots is formed is divided into a plurality of blocks, spots of a specific pattern are formed in the blocks, and a first block and a second block adjacent to each other are formed of the spots. The pattern is the same and there is a phase shift,
A substrate for nucleic acid analysis, characterized in that:
互いに隣接する第1の前記ブロックと第2の前記ブロックでは、ブロックの形状又は大きさが異なる、
ことを特徴とする核酸分析用基板。 The nucleic acid analysis substrate according to claim 1, wherein
The first block and the second block adjacent to each other have different shapes or sizes of blocks.
A substrate for nucleic acid analysis, characterized in that:
前記特定のパターンは、六方格子パターンである、
ことを特徴とする核酸分析用基板。 The nucleic acid analysis substrate according to claim 1, wherein
The specific pattern is a hexagonal lattice pattern,
A substrate for nucleic acid analysis, characterized in that:
前記基板の表面の前記スポットが形成されない領域に、前記生体高分子が付着できないブロッキング層がある、
ことを特徴とする核酸分析用基板。 The substrate for nucleic acid analysis according to claim 1, wherein
In a region where the spots are not formed on the surface of the substrate, there is a blocking layer to which the biopolymer cannot adhere,
A substrate for nucleic acid analysis, characterized in that:
前記スポットの直径、及び前記スポットのピッチが50〜1000ナノメートルである、
ことを特徴とする核酸分析用基板。 The substrate for nucleic acid analysis according to claim 1, wherein
The diameter of the spot, and the pitch of the spot is 50 to 1000 nanometers;
A substrate for nucleic acid analysis, characterized in that:
ことを特徴とする核酸分析用フローセル。 A substrate for nucleic acid analysis according to any one of claims 1 to 5, a hollow sheet, and a second substrate bonded together.
A flow cell for nucleic acid analysis, characterized in that:
前記基板の表面に形成された、生体高分子が付着するスポットのパターンと、を備え、
前記スポットのパターンが形成される領域は複数のブロックに分割され、
前記ブロックには、1つ以上の特定のパターンのスポットが形成され、
互いに隣接する第1の前記ブロックと第2の前記ブロックでは、ブロックの形状又は大きさが異なる、
ことを特徴とする核酸分析用基板。 Board and
Formed on the surface of the substrate, a pattern of spots to which biopolymers are attached,
The area where the spot pattern is formed is divided into a plurality of blocks,
One or more specific patterns of spots are formed on the block,
The first block and the second block adjacent to each other have different shapes or sizes of blocks.
A substrate for nucleic acid analysis, characterized in that:
互いに隣接する第1の前記ブロックと第2の前記ブロックでは、パターンが異なる、
ことを特徴とする核酸分析用基板。 The substrate for nucleic acid analysis according to claim 7, wherein
A pattern is different between the first block and the second block adjacent to each other.
A substrate for nucleic acid analysis, characterized in that:
前記1つ以上の特定のパターンの1つは、六方格子パターンである、
ことを特徴とする核酸分析用基板。 The substrate for nucleic acid analysis according to claim 7, wherein
One of the one or more particular patterns is a hexagonal lattice pattern,
A substrate for nucleic acid analysis, characterized in that:
前記基板の表面の前記スポットが形成されない領域に、前記生体高分子が付着できないブロッキング層がある、
ことを特徴とする核酸分析用基板。 The substrate for nucleic acid analysis according to claim 7, wherein
In a region where the spots are not formed on the surface of the substrate, there is a blocking layer to which the biopolymer cannot adhere,
A substrate for nucleic acid analysis, characterized in that:
前記スポットの直径、及び前記スポットのピッチが50〜1000ナノメートルである、
ことを特徴とする核酸分析用基板。 The substrate for nucleic acid analysis according to claim 7, wherein
The diameter of the spot, and the pitch of the spot is 50 to 1000 nanometers;
A substrate for nucleic acid analysis, characterized in that:
ことを特徴とする核酸分析用フローセル。 The nucleic acid analysis substrate according to any one of claims 7 to 11, a hollow sheet, and a second substrate bonded together.
A flow cell for nucleic acid analysis, characterized in that:
基板の表面に生体高分子が付着するスポットのパターンが形成され、
前記スポットのパターンが形成される領域は複数のブロックに分割され、
前記ブロックには、特定のパターンのスポットが形成され、
互いに隣接する第1の前記ブロックと第2の前記ブロックでは、スポットのパターンが同一であり、かつ位相のずれがあり、
前記基板の表面からの発光を撮像した発光画像の1つ以上の位置から切り出した1つ以上の対象画像と、基準画像の1つ以上の位置から切り出した1つ以上のテンプレート画像との間で位置合わせ処理を行う、
ことを特徴とする解析方法。 An analysis method,
A pattern of spots where biopolymers adhere to the surface of the substrate is formed,
The area where the spot pattern is formed is divided into a plurality of blocks,
A spot of a specific pattern is formed on the block,
In the first block and the second block adjacent to each other, the spot pattern is the same, and there is a phase shift,
Between one or more target images cut out from one or more positions of a light emission image obtained by capturing light emission from the surface of the substrate and one or more template images cut out from one or more positions of the reference image Perform alignment processing,
An analysis method characterized by that:
前記基準画像は、前記スポットのパターンの位置情報を元に作成される、
ことを特徴とする解析方法。 The analysis method according to claim 13, wherein
The reference image is created based on position information of the spot pattern,
An analysis method characterized by that:
前記基準画像は、複数の前記発光画像のうちのいずれかである、
ことを特徴とする解析方法。 The analysis method according to claim 13, wherein
The reference image is any one of the plurality of light-emitting images,
An analysis method characterized by that:
前記テンプレート画像と、前記対象画像には、少なくとも互いに隣接する4つ以上の前記ブロックの前記スポットのパターンが含まれている、
ことを特徴とする解析方法。 The analysis method according to claim 13, wherein
The template image and the target image include at least the spot patterns of four or more blocks adjacent to each other,
An analysis method characterized by that:
互いに隣接する第1の前記ブロックと第2の前記ブロックでは、ブロックの形状又は大きさが異なる、
ことを特徴とする解析方法。 The analysis method according to claim 13, wherein
The first block and the second block adjacent to each other have different shapes or sizes of blocks.
An analysis method characterized by that:
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