JP2873884B2 - 多色泳動パターン読み取り装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、多色泳動パターン読み
取り装置に関し、特に、それぞれの試料に蛍光波長が異
なる蛍光色素で標識し、同時に電気泳動した後で電気泳
動パターンを読み取り、同じ泳動条件の複数の電気泳動
パターンの比較に好適な多色泳動パターン読み取り装置
に関するものである。

【０００２】

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

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

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

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

【０００６】遺伝病を対象とする場合、試料ＤＮＡ抽出
のための臓器は問わない。通常は、数ミリリットルの末
梢血から白血球を分離し、そこからＤＮＡを抽出する。
（ステップ１）から（ステップ６）までのステップの処
理に通常５日程度の日数を必要とする。

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

【０００８】最近、安全性などの問題から放射性アイソ
トープに替えて蛍光色素で標識したプローブを用いて、
その蛍光素を励起し、電気泳動パターンの読み取りを行
う方法が試行されている。遺伝病診断やＤＮＡの塩基配
列決定などを行う場合、試料の量が１０~¹⁵molオーダ前
後であるため、放射性アイソトープなみの信号対雑音比
を等価的に得るには、微弱な光を検出する高度な光学技
術と信号処理技術を必要とする。

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

【００１０】図１８は、従来の蛍光式電気泳動装置の外
観を示す斜視図である。図１８を参照すると、電気泳動
装置は、試料の電気泳動を行い、蛍光の分布を計測する
泳動計測装置５１と、計測データを基にデータ処理を行
うデータ処理装置５２と、それらを相互接続するケーブ
ル５３とから構成されている。この泳動計測装置５１に
は扉５１ａがあり、扉５１ａを開いて、電気泳動を行う
ベースとなるゲルの注入を行い、更に電気泳動を行う試
料（ＤＮＡ断片）を所定量だけ注入する。扉５１ａを閉
じて、操作表示パネル５１ｂの泳動開始スイッチを押す
と電気泳動が開始される。電気泳動が開始されると、泳
動計測装置５１では、操作表示パネル５１ｂにあるモニ
タに動作状態が表示される。泳動計測装置５１により計
測されたデータは、データ処理装置５２に転送され、予
めプログラムされている所定のデータ処理が行われる。
なお、データ処理装置５２は、計算機本体５４と、利用
者からの指令などを入力するためのキーボード５５と、
処理状態や結果を表示するディスプレイ装置５６と、デ
ータ処理の結果を記録するプリンタ５７とから構成され
ている。

【００１１】図１９は、泳動計測装置の内部の構成を示
すブロック図である。泳動計測装置（５１；図１８）の
構成は、図１９に示すように、電気泳動装置部６３およ
び信号処理装置部６４から構成されており、これらの２
つの部分がまとめられて、泳動計測装置の全体を構成し
ている。電気泳動装置部６３は、電気泳動を行う泳動部
５と、泳動部５に電圧を印加するための第１電極２ａお
よび第２電極２ｂと、泳動部５および各電極２ａ，２ｂ
を支えるための支持板３と、泳動部５に電圧を印加する
ための電気泳動用電源装置４と、蛍光物質を励起するた
めの光を発光する光源１１と、光源１１からの光を導く
ための光ファイバ１２と、蛍光物質から発生した蛍光１
３を集光して受光する光学系の集光器１４と、特定波長
の光を選択的に通す光学フィルタ１５と、受光した光を
電気信号に変換するための光センサ１６とから構成され
ている。また、信号処理装置部６４は、光センサ１６か
らの電気信号を受けて増幅する増幅器１７と、電気信号
のアナログ信号をディジタルデータに変換するアナログ
・ディジタル変換回路１８と、ディジタル変換したデー
タに対して加算平均処理等の前処理を行う信号処理部１
９と、前処理したデータを外部のデータ処理装置へ送出
するインターフェース処理を行うインタフェース２０
と、電気泳動装置部および信号処理系の全体を制御する
ための制御回路１０とから構成されている。この信号処
理装置６４から出力されるディジタル信号ＯＵＴは、デ
ータ処理装置（５２；図１８）に送られ、解析処理など
のデータ処理が行われる。

【００１２】次に、このように構成された電気泳動装置
の動作を説明する。図１８および図１９を参照する。泳
動計測装置５１にある扉５１ａを開き、内部にある泳動
部５にゲルを注入し、更に蛍光物質で標識したＤＮＡ断
片の試料を注入する。操作パネル５１ｂのスイッチを操
作して、電気泳動開始を指示すると、電気泳動用電源装
置４からの電圧が電極２ａ，２ｂにより泳動部５に供給
されて電気泳動が開始される。電気泳動によって、蛍光
物質で標識された試料は、例えば、図２２に示すよう
に、各々の試料のレーン７１，７２，７３，７４におい
て電気泳動され、試料に含まれる分子の分子量毎に集ま
り、それぞれにバンド６６を作る。分子量の軽い分子ほ
ど泳動速度が速いため、同一時間内に泳動される距離は
大きい。これらのバンド６６の検出は、図２０（ａ）に
示すように、光源からの光を光ファイバ１２に通して光
路６１上でゲルを照射することにより、ゲル中でバンド
６６に集まっている標識の蛍光物質に蛍光１３を発生さ
せ、蛍光１３を検出する。発生する蛍光１３は、蛍光物
質の吸光係数，量子効率，励起光の強度などによるが、
バンド当り、１０~¹⁶mol程度と非常に微量な量しか蛍光
物質が含まれていないため、非常に微弱な光となる。例
えば、蛍光物質として、フルオレセインイソチオシアネ
ート（Fluorescein Isothiocyanate）を使用した場合に
ついて説明すると、フルオレセインイソチオシアネート
による励起光の励起波長のピークが４９０nm、蛍光波長
のピークが５２０nmである。モル吸光係数は７×１０⁴m
ol~¹・cm~ ¹であり、量子効率は０.６５程度である。

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

【００１４】泳動部５は、その正面図が図２０（ａ）
に、その縦断面図が図２０（ｂ）に示されるように、ポ
リアクリルアミドなどのゲル５ａと、該ゲル５ａを両側
から狭んで支えるためのガラスの支持板５ｂ，５ｃとか
ら構成されている。泳動部５のゲル５ａに上部から例え
ばＤＮＡ断片の試料を注入し、第１電極２ａおよび第２
電極２ｂ（図１９）に泳動電圧を印加して、電気泳動を
行いながら、光源から照射された光、例えばレーザ光
を、光ファイバ１２からゲル５ａ中の光路６１を通し
て、光路６１上の蛍光物質を照射する。これにより、光
路６１上に存在する蛍光物質が励起されて蛍光１３を発
する。蛍光１３はレンズの組合せで構成される光学系の
集光器１４に到達し、集光された後に光学フィルタ１５
で選択され、一次元の光センサ１６において電気信号に
変換される。光センサ１６では、微弱な光を効率よく電
気信号に変換するため、イメージインテンシファイアな
どを用いて、１０^４〜１０^５倍に光増幅し、その画像を
ＣＣＤの一次元光センサなどで電気信号に変換してい
る。光センサ１６により得られた電気信号は、増幅器１
７により希望するレベルの信号に増幅され、アナログ・
ディジタル変換回路１８によりアナログ信号からディジ
タル信号に変換されて、信号処理部１９へ送られる。信
号処理部１９では、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）を向上さ
せるために加算平均処理等の信号処理が行われる。この
ようにして信号処理されたディジタル信号のデータは、
インタフェース２０により、データ処理装置５２に送出
される。

【００１５】図２１（ａ）および図２１（ｂ）は、泳動
計測装置５１から送出されるＤＮＡ断片の蛍光強度パタ
ーン信号の例を説明する図である。例えば、図２１
（ａ）に示されるように、電気泳動が行われた泳動部５
に対して光路６１上でレーザ光が照射されると、光路６
１上に存在するゲルの蛍光物質が励起されて、蛍光を発
するので、この蛍光を、レーン毎に所定の検出位置で電
気泳動方向６２の方向に時間の経過と共に検出する。こ
れにより、各レーンのバンド６６が光路６１上の位置を
通過する時に、蛍光が検出されることになり、１つのレ
ーンにおける蛍光強度のパターン信号が、図２１（ｂ）
に示すように、検出される。このため、バンド６６が光
路６１上の位置を通過するときに、蛍光強度のピークが
得られる。したがって、図２１（ｂ）に示す蛍光強度パ
ターン信号は、電気泳動方向６２の方向におけるバンド
６６の蛍光強度パターン信号となっている。すなわち、
この蛍光強度パターン信号は、蛍光濃度に比例したプロ
ファイル波形となっており、このピーク値を判定して、
例えば、ＤＮＡの各塩基配列を判定する処理を行う。

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

【００１７】以上の例では試料の標識法として蛍光色素
を用いる装置例を示したが、他の例として、同様に蛍光
色素で標識し、電気泳動を行った後に、電気泳動パター
ンによる蛍光パターンを読み取る装置が特開平１−１６
７６４９号公報に開示されている。この他の例の装置
は、前述したような電気泳動を行いながら同時に読み取
り部を通過する蛍光パターンの分布を読み取るタイプと
は異なり、電気泳動を終了してから泳動部全体の蛍光パ
ターンを読み取るタイプとなっている。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述したよ
うに、蛍光検出法による電気泳動パターン読み取り装置
においても、ゲル電気泳動法は、放射性アイソトープに
よる標識法で従来から用いられているゲル電気泳動法が
用いられている。このような従来のゲル電気泳動法で
は、ゲルの温度不均一性，その他の理由からバンドの移
動速度が泳動板の位置によって異なり、泳動パターンの
歪が発生する。したがって、２種の泳動パターンを比較
する必要のある遺伝病診断などのため、２種類の試料の
電気泳動，２次元電気泳動などを行った場合には、放射
性アイソトープ標識法または蛍光標識法のいずれの方法
においても、各回の泳動の結果は歪による泳動位置に相
違が発生し、泳動パターンどうしの比較が困難となる。
また、泳動パターンの補正をデータ処理で行う場合に
も、データ処理が煩雑となり、複雑となる。

【００１９】電気泳動を行いながら同時に読み取り部を
通過する蛍光物質の分布を計測する泳動計測装置では、
２次元電気泳動に適用するために、１次元軸の電気泳動
を別の装置で行い、２次元軸での読み取り装置で行う必
要があり、操作が煩雑となり、また、複雑となる。

【００２０】本発明の目的は、複数の各試料に蛍光波長
の異なる蛍光色素で標識し、複数の各試料を同時に電気
泳動した後に電気泳動パターンを読み取り、複数の電気
泳動パターンの比較に好適な多色泳動パターン読み取り
装置を提供することにある。

【００２１】本発明の他の目的は、電気泳動パターンの
蛍光パターンを読み取り、泳動パターンを泳動歪の影響
無しに読み取り比較することができる多色泳動パターン
読み取り装置を提供することにある。

【００２２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の多色泳動パターン読み取り装置は、複数の
試料に電気泳動を行って展開した泳動パターンに対し
て、各試料に個別に標識した２つ以上の蛍光物質を励起
して蛍光を発光させ、発光する蛍光パターンを読み取る
多色泳動パターン読み取り装置であって、泳動パターン
の蛍光物質を励起させる照射光を発光する光源と、光源
から照射光を走査してゲルの厚み方向に照射する光走査
機構と、照射光の光軸とは異なる方向に受光面を設定し
て受光経路の空間的位置関係により泳動パターンからの
蛍光を読取り面の散乱光から分離して受光する受光部
と、光軸に対して入射角度が制御可能な光学フィルタに
より受光部で受光した光信号から所定の蛍光波長を分離
する蛍光波長分離部と、蛍光波長分離部を通過した光信
号の光電変換を行って電気信号を出力する光電変換部
と、光電変換部からの電気信号に対して、蛍光波長分離
部の光学フィルタにおける光信号の入射角度に応じて信
号処理を行い、所定のデータ表現に変換する信号処理部
とを備えたことを特徴とする。

【００２３】

【作用】これによれば、多色泳動パターン読み取り装置
には、照射光を発光する光源と、光走査機構と、蛍光パ
ターンの蛍光を受ける受光部と、蛍光波長分離部と、光
電変換部と、信号処理部とが備えられる。光源は、各試
料に個別に標識した２つ以上の蛍光物質を励起して蛍光
を発光させるための照射光を発光する光源であり、各蛍
光物質を励起するための波長の光を得るため例えば複数
の光源を設け、複数の光源からの光を混合して出力す
る。所定の波長領域に渡る光が得られる場合には単一の
光源であってもよい。光走査機構は、光源から照射光を
走査してゲルの厚み方向に照射する。受光部は、照射光
の光軸とは異なる方向に受光面を設定して受光経路の空
間的位置関係により、泳動パターンからの蛍光を読取り
面の散乱光から分離して受光する。蛍光波長分離部は、
光軸に対して入射角度が制御可能な光学フィルタを備
え、該光学ファルタへの蛍光の入射角度を制御して光学
フィルタの通過域角度依存性を用い、受光部で受光した
光信号から所定の蛍光波長を分離する。光電変換部は、
蛍光波長分離部で分離した各光信号の光電変換を行って
電気信号を出力するので、信号処理部が、光電変換部か
らの電気信号に対して、蛍光波長分離部の光学フィルタ
における光信号の入射角度に応じて信号処理を行い、所
定のデータ表現に変換する。

【００２４】ここでの信号処理部は、コンデンサおよび
積分動作制御スイッチから構成される積分回路を備えて
おり、光走査機構による照射光の走査と同期して、積分
回路の積分動作の制御を行い、積分時間および読み取り
走査回数は蛍光波長分離部の光学フィルタの制御された
光信号の入射角度に応じて変化させる。これにより、蛍
光波長分離部の光学フィルタにおける光信号の入射角度
に応じて信号処理を行う。この結果、光学フィルタのお
ける光信号の入射角度に応じて信号強度が異なる場合で
あっても微弱な電気信号に対して照射光の走査と対応し
て積分動作が行われ、積分動作速度が照射光の走査速度
と対応させて積分動作が行われることになり、微弱な蛍
光出力を効率よく増幅して泳動パターンを読み取ること
ができる。

【００２５】したがって、このような構成の多色泳動パ
ターン読み取り装置によれば、電気泳動を行なった試料
の泳動パターンに対して、蛍光色素の持つ蛍光の波長別
に蛍光物質の分布を読み取ることができる。また、この
場合、比較したい試料の全てが電気泳動において発生す
る泳動歪を同じく受けるので、読み取り結果の比較は歪
の量を気にせずに行なうことができる。

【００２６】

【実施例】図１は、本発明の一実施例にかかる多色蛍光
式電気泳動パターン読み取り装置の全体構成を説明する
概略図である。図１に示すように、多色蛍光式電気泳動
パターン読み取り装置は、電気泳動ユニット１と読み取
りユニット６とが分離されて全体の装置が構成されてい
る。電気泳動ユニット１は、電気泳動を行うベースとな
るゲルと該ゲルをガラス板などで挟み込んで支持するゲ
ル支持体とからなる泳動部ユニット５と、泳動部ユニッ
ト５が装着され該泳動部ユニット（以下では泳動部と略
称する）５に電気泳動電圧を加える第１電極２ａおよび
第２電極２ｂと、第１電極２ａおよび第２電極２ｂを支
えると共に泳動部５を支える支持板３と、電気泳動電圧
を供給する電気泳動用電源装置４とから構成される。泳
動部５は、前述したように、泳動試料を展開するポリア
クリルアミドなどのゲルと、該ゲルを両側から挟んで支
持するガラス板などのゲル支持体から構成される（前述
の図２０（ａ），（ｂ）を参照）。

【００２７】電気泳動ユニット１において、泳動部５が
装着され、泳動部５のゲルの上部から電気泳動するＤＮ
Ａフラグメントなど断片化した試料が供給され、電気泳
動用電源装置４から第１電極２ａおよび第２電極２ｂに
泳動電圧が印加され、電気泳動が行われる。電気泳動ユ
ニット１で電気泳動を行った後の泳動部５は取り外し、
次に、読み取りユニット６に装着して、電気泳動パター
ンの読み取りを行う。

【００２８】読み取りユニット６は、電気泳動を行った
泳動部５をそのままの状態で（または泳動部５からゲル
のみを取り出したゲルの状態で）計測部本体７に装着し
て、電気泳動パターンを読み取って、データ処理を行
う。読み取りユニット６は、図１に示すように、計測部
本体７を主要部として構成され、データ処理装置８およ
びイメージプリンタ９等が付加されて構成される。デー
タ処理装置８およびイメージプリンタ９は、計測部本体
７で読み取った電気泳動パターンデータに対して、デー
タ処理，イメージ処理，判定処理などを行い、読み取っ
た電気泳動パターンデータを加工して出力する。計測部
本体７には、電気泳動ユニット１において既に電気泳動
を行った泳動部（ゲルおよびゲル支持体からなる泳動部
ユニット）５を装着して読み取る読取り台が、本体上部
の蓋７ａの直下に設けられている。

【００２９】電気泳動ユニット１から取り外した泳動部
５は、計測部本体７において、計測部本体上部の蓋７ａ
を開けて読み取り台に装着される。読取り台に泳動部５
の読み取り対象のゲルを装着した後、蓋７ａを閉じて、
計測部本体７の操作表示パネル７ｂの読み取り開始スイ
ッチを押下すると、計測部本体７が泳動部５のゲルの電
気泳動パターンの読み取りを開始する。電気泳動パター
ンの読み取りが開始されると、計測部本体７に内蔵する
点光源からの照射光の走査が開始され、装着した泳動部
５のゲルに励起光を照射し、蛍光物質を励起させ、これ
により発光した蛍光を受光して、蛍光物質の分布のパタ
ーンを計測する。データ処理装置８は計測部本体７で計
測した読み取りデータを基にデータ処理を行い、また、
計測部本体７の制御を行う。データ処理されたデータ
は、イメージプリンタ９により出力されて可視化され
る。イメージプリンタ９は多色印刷を行うものが用いら
れ、各試料に対応して泳動パターンを着色し、泳動パタ
ーンイメージを印刷する。

【００３０】図２は、計測部本体の要部の構成を示すブ
ロック図であり、また、図３は、計測部本体に装着する
泳動部の装着位置を説明する図である。図２および図３
を参照して説明する。

【００３１】多色蛍光式電気泳動パターン読み取り装置
を用いて、複数の各々の試料の電気泳動分析を行う場
合、前述したように、まず、電気泳動ユニット１を用い
て、蛍光色素（蛍光物質）により標識した試料（ＤＮＡ
フラグメント）の電気泳動を行う。約５時間位の所定時
間の電気泳動の終了後、泳動部５を電気泳動ユニット１
から取り外す。取り外した泳動部５のゲルは、そのまま
の泳動部５の状態で、あるいはゲル支持体のガラスを外
した状態で、図３に示すように、読み取りユニット６の
計測部本体７の上部の蓋７ａを開き、内部の読み取り台
７ｃの上部に載置する。そして、蓋７ａを閉じて、読み
取りユニットへのセットが完了する。このとき、電気泳
動を行ったゲルの試料が蛍光色素で標識されていない試
料の場合には、この段階で各試料に対し蛍光色素をつけ
る処理を施すようにしてもよい。また、ゲルの乾燥等の
処理も行う。

【００３２】次に、電気泳動パターンの読み取り開始を
指示する操作を行う。読み取り開始の操作は、操作表示
パネル７ｂの読み取り開始スイッチの押圧による開始指
示により、またはデータ処理装置８からの読み取り開始
指示により行う。データ処理装置８によって読み取り動
作を開始する場合には、計測部本体７における泳動部ユ
ニットの装着状態が制御信号線を通してデータ処理装置
８の側に送られ、その状態を確認してデータ処理装置８
が計測部本体７の読み取りユニット部の動作を制御して
行う。この場合には、動作時の読み取り速度などのパラ
メータ設定を予めデータ処理装置８の側に登録しておく
ことにより、読み取り開始の操作が自動的に行われるの
で、操作者のスイッチ操作負担が軽減される。

【００３３】読み取られた蛍光色素の分布データは、デ
ータ処理装置８に送られる。データ処理装置８では、蛍
光強度のピーク検出処理、泳動距離を求める処理など予
めプログラムされている所定の処理を行う。データ処理
した結果のデータは、必要に応じてイメージプリンタ９
により、蛍光強度を濃淡画像で印刷出力し、または蛍光
強度を等高線形式または色や濃度で区分けした画像とし
て印刷出力する。蛍光強度に応じた濃淡画像で印刷出力
した画像は、従来から用いられている放射性物質で標識
して電気泳動を行った放射性Ｘフィルム像と同じ画像と
なる。また、必要に応じて、データ処理を行った結果デ
ータは、磁気的または光学的記録装置にディジタルデー
タとして記憶される。

【００３４】図２の計測部本体の構成を示すブロック図
において、光源２１から発光されたレーザビーム３１
は、ミラードライバ３０で駆動される振動ミラー２２に
より図面の表裏方向にスキャンされ、読み取り対象の泳
動部５のゲルに加えられる。振動ミラー２２によりスキ
ャンされるレーザビーム３１のスポット光は、移動しな
がら、泳動部５のゲルを厚み方向に照射される。これに
より、スキャンされたレーザビーム３１のスポット光が
照射された泳動部５のゲルからは、蛍光１３が発するの
で、これを集光器２３を通して受光する。集光器２３
は、蛍光１３を受光するため受光経路の光軸が泳動部５
を照射するスポット光の光軸とは異なるように、また、
光学レンズ系により受光の光学経路の空間的位置関係の
構成から、泳動部５の照射面から発する散乱光からの検
出感度を高めて、蛍光１３を受光する。集光器２３によ
り受光した光は、光電変換部２４により電気信号に変換
されて増幅器２５により増幅される。光電変換部２４
は、所望の波長の光を選択する蛍光波長分離部を備え、
所望の波長の蛍光を選択して電気信号に変換する機能を
有する。詳細は後述するが、所望の波長の光の選択を行
うため、蛍光波長分離部が備えられる。蛍光波長分離部
は、制御回路２４の制御で光学フィルタを回転させ、光
軸に対して光学フィルタの入射角度を制御する光学フィ
ルタ回転機構が設けられる。光学フィルタ回転機構は光
学フィルタ回転ドライバにより制御され、光学フィルタ
への蛍光の入射角度の制御を行う。蛍光波長分離部で
は、光学フィルタ回転機構により該光学フィルタへの蛍
光の入射角度を制御して、光学フィルタの通過域角度依
存性によって、受光部で受光した光信号から所定の蛍光
波長を分離する。なお、ゲルを透過したレーザビーム３
１が、迷光として悪影響を与えないように、泳動部５の
レーザビーム３１の照射面と反対側には、光トラップ３
２が設けられている。

【００３５】このように、集光器２３，光電変換部２４
を通して、検出する蛍光１３の受光感度を高くして受光
し、更に、受光した蛍光１３を電気信号に変換し、変換
した電気信号を増幅器２５に入力する。増幅器２５にお
いて増幅された電気信号は、アナログ・ディジタル変換
回路２６に入力されて、ディジタルデータに変換され
る。ディジタルデータに変換された蛍光の検出信号はメ
モリ２８に記憶され、メモリ２８に記憶されたデータ
が、インタフェース制御回路２９を通してデータ処理装
置８に送られる。上述したような一連の信号処理の全体
の制御は、制御回路２７が行う。

【００３６】次に、このような構成の電気泳動パターン
読み取り装置の計測部本体（図２）の各部の構成を詳細
に説明する。

【００３７】図４は、振動ミラーを用いてゲル面をレー
ザビームでスキャンする光走査機構を説明する図であ
る。また、図５は振動ミラーの回転角とレーザビームの
スポット光の移動距離の関係を説明する図である。

【００３８】光源２１，振動ミラー２２，および泳動部
５の配置位置が、図４に示すような位置関係にあるた
め、例えば、振動ミラー２２がミラードライバ３０によ
り等角速度で振動するように駆動された場合、泳動部５
においては、両端部での光スポットの移動速度が中央部
（Ｘ＝０）の付近よりも速くなってしまう。そのため、
泳動部５の試料から検出される蛍光の検出感度に、中央
部と端部とでは差が生ずることになる。このため、この
実施例では、泳動部５のゲル上でレーザのスポット光の
移動速度が等速となるように、振動ミラーを駆動する速
度を補正制御する。すなわち、スポット光の位置Ｘに対
するミラーの角度θの関係は、図５に示すような関係と
なり、振動ミラーの回転中心と泳動部５の中央部との距
離Ｚを用いると、ミラー角度θは次式で表される。 θ＝arctan（Ｘ／Ｚ） ここで、Ｚは振動ミラー２２の回転中心から泳動部５の
ゲルまでの距離であり、Ｘは振動ミラー２２の回転中心
から泳動部５のゲルの面に垂線を下ろした点を原点とす
るゲルの面方向の距離である。

【００３９】この種の光走査機構における回転角と移動
距離との間の関係を補正する方法には、ｆθレンズを用
いる方法があるが、ｆθレンズは高価であり、また、ｆ
θレンズを装着するため装置が重くなるので、ここで
は、光走査機構の振動ミラー回転角と移動距離との間の
補正を、ミラードライバ３０に振動ミラー２２の回転角
速度を可変制御する制御回路を備え、振動ミラー２２の
回転駆動速度を補正制御することにより行う。

【００４０】図６は、振動ミラーを回転駆動制御するミ
ラードライバの制御回路の要部構成を示すブロック図で
ある。振動ミラーのアクチュエータとしては直線モータ
を用いており、振動ミラーの回転角制御は、回転角対応
に比例した電圧を印加することによって制御できる。ゲ
ルの照射面においてレーザビームのスポット光が等速で
移動するためには、照射面の距離Ｘと時間ｔが比例関係
となるように制御すればよい。振動ミラーの回転角θと
スポット光の移動距離Ｘとの関係は、図５に示すような
関係となっているので、図５のグラフの横軸を時間軸、
縦軸を電圧軸に対応させた電圧波形の信号を発生させ、
これを振動ミラーを駆動する駆動制御信号とする。この
ような駆動制御信号の発生は、ミラードライバ３０にお
ける制御回路により行い、発生した駆動制御信号を振動
ミラー２２のアクチュエータに供給して、振動ミラー２
２の駆動制御を行う。

【００４１】ミラードライバ３０は、図６に示すよう
に、関数波形を記憶した読み出し専用メモリ３０ａと、
読み出した関数データを電圧信号に変換するデジタル・
アナログ変換回路３０ｂと、変換された電圧信号を増幅
して駆動制御信号として出力するドライバ３０ｃと、メ
モリに対し時系列的に読み出しアドレスを与えるカウン
タ３０ｄと、カウンタにクロック信号を与える発振回路
３０ｅから構成されている。

【００４２】計測部本体の制御回路２７からの指示によ
り発振回路３０ｅが動作し、発振回路３０ｅからのクロ
ック信号がカウンタ３０ｄに入力され、カウンタ３０ｄ
はクロック信号をカウントし、読み出し専用メモリ３０
ａに供給する読み出しアドレスを時系列的に発生する。
カウンタ３０ｄにより発生された読み出しアドレスが時
系列的に読み出し専用メモリ３０ａに供給されると、読
み出し専用メモリ３０ａから予め記憶されている関数デ
ータが順次に読み出される。読み出し専用メモリ３０ａ
には、予め振動ミラーの回転角に関する関数データ（図
５）が書き込んであり、このような関数データが時系列
的に読み出される。この例では、関数データのビット数
は、１２ビットとしている。読み出された関数データ
は、ディジタル・アナログ変換回路３０ｂにおいて振動
ミラーの回転角を制御するアナログ信号の電圧信号に変
換される。この電圧信号は、ドライバ３０ｃにおいてス
テップ状のノイズをフィルタリングで除去し、更に電力
増幅して、駆動制御信号として、振動ミラー２２に供給
される。これにより、泳動部におけるレーザビームのス
ポット光の移動速度（スキャン速度）が一定となるよう
に、所望の回転角速度で振動ミラーを振動させることが
できる。

【００４３】また、ここでのスキャン速度は、対数的に
ほぼ等分となるように0.5Hz，1Hz，2Hz，5Hz，10Hz，20
Hz，50Hz，100Hz，および200Hzで可変できるようにして
ある。これは、電気泳動する試料に標識した蛍光物質の
量や蛍光物質の量子効率の差に応じて、読み取り速度を
変えられるようにし、効率的に読み取りを行うためであ
る。この場合のスキャン速度の指定は、操作表示パネル
７ｂまたはデータ処理装置８から指定することができ
る。制御回路２７からミラードライバ３０に指示データ
が送られ、カウンタ３０ｄおよび発振回路３０ｅを制御
して、所望のスキャン速度で振動ミラー２２を駆動させ
る。

【００４４】このようにして、振動ミラー２２の駆動制
御により、光源２１からのレーザビームがスキャンさ
れ、泳動部５においては一定速度で移動するスポット光
として照射される。これにより、レーザ光の照射光によ
り照射された部分にある泳動部５のゲルの蛍光物質が励
起され、蛍光１３を発する。

【００４５】図７は、ゲルから発生する蛍光を受光する
ための集光器および光電変換部の要部の構成を光路を主
体として示す図である。前述したように、泳動部のゲル
５ａは、ガラスのゲル支持体５ｂ，５ｃに挾まれて支持
されており、ゲル支持体５ｂ，５ｃとしては、この例の
泳動部５では、ゲル支持体５ｂ，５ｃに蛍光の比較的少
ない硼硅酸塩ガラスを使用している。この他に、ゲル支
持体５ｂ，５ｃとしては、石英ガラスや各種光学ガラス
などが利用できる。泳動部５において、スキャンされて
移動するレーザビーム３１の照射光が照射されると、こ
のレーザビーム３１の照射光はゲル支持体５ｂ，５ｃを
厚み方向に透過し、ゲル５ａに到達する。ゲル５ａにお
いてもその厚み方向にレーザビーム３１の照射光が進行
する。ゲル支持板５ｂ，５ｃおよびゲル５ａの厚みは、
それぞれ約５ｍｍおよび約０．３５ｍｍとなっており、
ゲル支持板５ｂ，５ｃおよびゲル５ａの厚み方向に照射
されるレーザビーム３１の照射光は、泳動部５のどの位
置においてもゲルに到達する光の強度は概ね等しい。ま
た、ゲル５ａおよびゲル支持体５ｂ，５ｃの照射光の入
射面で発生する光散乱によるレーザビーム３１の広が
り，強度減少も、厚み方向の面に対し垂直に照射光を入
射しているため、大幅に少なくなる。なお、ゲルを透過
したレーザビーム３１は、迷光として悪影響を与えない
ように光トラップ３２に入り減衰させられる。

【００４６】このように励起光のスキャンによって、ゲ
ル５ａ内から発生する蛍光は、励起光による散乱光など
と共に集光器２３で集められる。ゲル支持体５ｂ，５ｃ
において発生する散乱光は受光経路の空間的位置関係に
より幾何光学的に分離され、ゲルからの蛍光のみが取り
出されて光電変換部２４に送られる。光電変換部２４に
おいては、更にゲル内において発生する散乱光と蛍光と
が光学フィルタ２４ｄの蛍光波長分離部により分離さ
れ、ゲルからの蛍光のみが光電変換素子２４ｆに加えら
れる。光電変換素子２４ｆとしては光電子増倍管などを
用いて微弱な蛍光を増幅して電気信号に変換する。

【００４７】集光器２３および光電変換部２４における
光学系の構成を説明すると、集光器２３は、図７に示す
ように、泳動部５からの蛍光およびゲル支持体５ｂ，５
ｃから発生する励起光の散乱光を、シリンドリカルレン
ズ２３ａで受けて集光する光学経路の構成となってい
る。泳動部５からシリンドリカルレンズ２３ａで受けた
散乱光および蛍光は、シリンドリカルレンズ２３ａの反
対側に結像する。図中Ａ点はゲル５ａからの蛍光および
ゲル５ａから発生する励起光の散乱光に対する焦点であ
る。また、ゲル支持体５ｂ，５ｃの表面において発生す
る励起光の散乱光は、例えば、ゲル支持体５ｃの表面か
らの散乱光の場合、焦点Ａ′点に結像する。ここで光フ
ァイバアレイ２３ｂは、ゲル５ａからの蛍光を受光する
ようにその結像点Ａの位置に配設することで、受光経路
の空間的位置関係により幾何光学的に蛍光を、ゲル支持
体からの散乱光と分離することができる。このように照
射光を厚み方向に照射する方法においては、ゲルとゲル
支持体であるガラスとの屈折率が１.４〜１.５前後と比
較的近いこと、およびゲルとゲル支持体のガラスの境界
面が非常に密着していることにより、この境界面におい
て発生する散乱光は非常に少ない。したがって、Ａ点で
受光する光は、ゲル５ａの表面で発生する励起光の散乱
光も少なくなっており、ゲル５ａの内部からの蛍光のみ
が大きく受光される。

【００４８】また、ゲル支持体５ｂ，５ｃのいずれか、
または両方を取り外してゲル５ａに対して直接に照射光
をスキャンさせる場合には、上述のようなゲル支持体で
あるガラス表面から発生する量とほぼ同じの量の散乱光
がゲル表面から発生するが、この場合には、計測部本体
７の読み取り台（７ｃ；図３）の載置ガラスの厚み分に
より、ゲル支持体のガラスと同様な効果があるので、検
出感度の低下を低く押えて、ゲル面からの蛍光を検出で
きる。なお、ゲル支持体５ｂ，５ｃのいずれかまたは両
方を取り外した場合には、この時点において、ゲル５ａ
に対して色素を着色する処理などを行う。特に、ゲル支
持体５ｂ，５ｃの取り除きが必要のない場合には、ゲル
支持体５ｂ，５ｃをつけたままの状態で、ゲル５ａの読
み取りを行う方が信号対雑音比を向上させられる。

【００４９】ここで、集光器２３には、シリンドリカル
レンズは１つしか用いていないが、レーザビームの走査
面に対称な位置や、更には試料の反対側などにシリンド
リカルレンズを載置する構成とすることもできる。検出
可能な蛍光の量が不足している場合には、例えば、蛍光
が発生するゲルの走査線を取り囲む４方向にシリンドリ
カルレンズと光ファイバアレイを載置し、発生する蛍光
を集光することで検出光量を増加することができる。そ
の場合には、対向するシリンドリカルレンズの表面反射
が互いに影響を受けないように光軸をずらすなどの対処
が有効である。

【００５０】光ファイバアレイ２３ｂにより集光された
蛍光は、光ファイバアレイ２３ｂの各々の光ファイバに
導かれ、各々の光ファイバが束ねられて集められて、光
電変換部２４に入力される。光ファイバアレイ２３ｂか
ら光電変換部２４に入力された蛍光は、第１のレンズ２
４ａ，絞り２４ｂ，および第２のレンズ２４ｃを用いて
平行光成分のみが取り出され、光学フィルタ２４ｄの蛍
光波長分離部に入射されるように、光学経路が形成され
ている。蛍光波長分離部の光学フィルタ２４ｄは、フィ
ルタ面が光の進行方向に対して直角でなく、入射角度が
制御可能なように、光学フィルタ回転駆動機構（図８）
と共に設けられている。そして、蛍光波長分離部におけ
る入射角度が所定角度で制御された光学フィルタ２４ｄ
により所定の蛍光波長成分のみを選択して、更に第３の
レンズ２４ｅで集光して光電変換素子２４ｆの光電子増
倍管に導き、検出された蛍光を電気信号に変換する。

【００５１】光学フィルタ２４ｄを回転駆動できる機構
を有する蛍光波長分離部は、図８に示すように、光学フ
ィルタ２４ｄの光軸に対する面の角度を制御回路２７か
らの制御で可変できるように、回転駆動機構が配設して
ある。光学フィルタ２４ｄの角度は位置検出機能付きの
ステッピングモータ２４ｈおよびその回転運動を光学フ
ィルタ２４ｄに伝達する歯車機構２４ｇから構成されて
いる。光学フィルタ２４ｄの通過波長特性は、光の入射
角の増加に伴い、短波長側に移動する。このため、ここ
での光学フィルタ回転機構では、その特性を利用して光
軸に対する光学フィルタ２４ｄの面の角度を変えること
により、光学フィルタ２４ｄを通して得られる蛍光の波
長成分を変えて受光できるようにしてある。

【００５２】ところで、この実施例にかかる光電変換部
２４は、光学フィルタ２４ｄの回転駆動機構を有する蛍
光波長分離部を備えており、光学フィルタ２４ｄの入射
角度を制御し通過波長特性を変えて、受光する蛍光波長
のみを適切に選択できる構成となっている。このため、
励起光の散乱光は十分に除去されるので、レンズ，絞り
などの光電変換部２４の構成を簡略化できる。また、光
学フィルタ２４ｄに替えて、回折格子を用いることによ
り、特定の波長の蛍光を分離し、受光すべき蛍光波長の
みを適切に選択できるようにも構成できる。

【００５３】図９は、簡略化した構成とした光電変換部
の他の構成例を示す図である。図７に示す光電変換部２
４の構成例とは異なり、この場合、平行光を抽出するた
めの第１レンズ２４ａ，絞り２４ｂおよび第２レンズ２
４ｃを省略した構成となっている。このような簡単化し
た構成とした場合でも、光電変換素子２４ｆの光電子増
倍管の入射窓に到達する光の成分は光軸に対してほどん
で平行な成分となっており、光路に介在する光電変換部
の部品点数が少ない分だけ、検出できる光量が増加し、
検出感度を高められる特長を有している。

【００５４】このようにして、蛍光を励起光の散乱光と
分離することにより、信号対雑音比を向上させ、光学フ
ィルタへの蛍光の入射角度を制御して、所望の各々の蛍
光波長成分を選択し、各々の蛍光波長成分に応じた蛍光
強度に対応する電気信号を光電変換素子２４ｆの光電子
増倍管で得ることができる。得られた電気信号は、増幅
器２５に入力される。増幅器２５においては、微弱な信
号を積分回路を含む増幅段で十分に増幅する。

【００５５】図１０は、積分回路を含む増幅器の構成を
示す回路図である。積分回路の増幅器２５には、図１０
に示すように、前段に演算増幅器で構成される積分回路
が設けられ、次段に演算増幅器で構成される出力増幅回
路が備えられた構成となっている。光電変換素子２４ｆ
の光電子増倍管から出力される電気信号は、演算増幅器
２５ａに入力される。演算増幅器２５ａはコンデンサ２
５ｃおよび積分動作を制御するスイッチ２５ｄを備えて
積分回路を構成している。積分回路の出力は、演算増幅
器２５ｂに入力され、外付抵抗で決まるゲインの増幅を
行い、後続するアナログ・デジタル変換回路に送られ
る。

【００５６】このように構成される積分回路を含む増幅
器２５における動作を図１１のタイミングチャートを参
照して説明する。光電変換素子２４ｆの光電子増倍管
は、非常に大きな出力インピーダンスを有するために、
ほば電流源と見みなすことができ、また、演算増幅器２
５ａには、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）入力型の高
入力インピーダンスのものが用いられているため、スイ
ッチ２５ｄがオフ状態になっていると、光電子増倍管
（２４ｆ）からの出力電流（吸込み電流）ｉｐは、その
ままほぼ全部がコンデンサ２５ｃを流れる電流となる。
この電流により演算増幅器２５ａの出力電圧は、図１１
に示すように、ランプ関数状の出力となる。この積分動
作では、１画素に相当する時間だけ積分を行い、アナロ
グ・ディジタル変換回路２６内にある標本化回路がＳ／
Ｈクロックのタイミングに合せてサンプリングし、その
ままホールドする動作となる。ホールドされた積分出力
は、後に接続されるアナログ・デジタル変換回路２６に
供給されて、アナログ・デジタル変換回路２６により、
デジタル信号に変換される。

【００５７】ホールドされて、積分出力が後段に供給さ
れた後は、スイッチ２５ｄに加えるＣ／Ｄ制御信号のＣ
／Ｄクロックをアクティブして、コンデンサ２５ｃに蓄
積された電荷を放電し、初期状態に戻す。以下、同様
に、この動作を繰り返す。

【００５８】このような演算増幅器による積分回路を用
いる増幅段は、抵抗とコンデンサのみからなる疑似的な
積分回路を用いる構成とすることもできる。ただし、上
述のような演算増幅器による積分回路では、光電変換素
子２４ｆからの電気信号の電荷をほぼ完全に積分するこ
とができるため、より高い信号対雑音比を得ることがで
きる。また、積分時間についても、スイッチ２５ｄに対
するＣ／Ｄ制御信号のＣ／Ｄクロックを変えることで任
意に変えることができる。このため、総合的に微弱信号
を増幅する増幅度の調整が容易に行える。この例では、
図４に示したミラードライバ３０の動作と対応させる
（同期させる）ことにより、読み取り試料の面積の大き
さに合せて積分時間を制御することが可能であり、読み
取りの無駄時間をなくすことができる。また、試料から
の蛍光の強度に合せて、励起光のスキャン速度と受光側
の増幅器の積分時間を自由に設定できるため、非常にフ
レキシブルな装置を構成することができる。また、この
他にコンデンサおよび抵抗のみで積分動作を行う場合
は、照射光の走査速度に対応した時定数となるようにコ
ンデンサまたは抵抗の値を切換えられる構成とすること
で、同様な機能を実現することができる。

【００５９】積分回路を含む増幅器２５（図２）で増幅
された電気信号は、次にアナログ・デジタル変換回路２
６に入力されて、デジタルデータに変換される。デジタ
ルデータに変換された蛍光検出信号は、メモリ２８に記
憶される。メモリ２８に記憶されたデータがインタフェ
ース制御回路２９を通してデータ処理装置８に送られ
る。このような一連の信号処理の全体の制御は、制御回
路２７が行う。

【００６０】次に、それぞれ異なる蛍光色素で標識した
複数の試料を電気泳動したパターンを読み取る場合を例
として、データの集収および演算処理の内容について説
明する。光学フィルタの２４ｄの傾き角度θ別に振動ミ
ラー２２を振動させ、レーザビームを走査して、各画素
毎の蛍光強度の測定値を得る。各画素毎の蛍光強度の値
は、図１２に示すような関係を有する。

【００６１】図１２は光学フィルタ２４ｄの角度特性
Θ，測定画素における蛍光強度の波長分布Χ，測定時の
ノイズη，および測定値Ψの関係を模式的に行列表現し
た図である。光学フィルタ２４ｄの角度特性Θ，測定画
素における蛍光強度の波長分布Χ，測定時のノイズη，
および測定値Ψの関係を、模式的に行列表現すると、図
１２に示すようになり、各画素毎に検出される蛍光強度
の値（測定値Ψ）は、蛍光強度Χが、光学フィルタ２４
ｄの特性Θの影響（たたみ込み）を受け、更に、ノイズ
ηが重畳されたもの（測定値Ψ）として検出される。し
たがって、測定値Ψから最小２乗法などを用いて逆演算
を行い、蛍光強度Χを推定する処理を行うことになる。

【００６２】ここでの光学フィルタの角度別透過波長特
性は、それぞれの角度で互いに一部重なる波長成分を持
つように設定してある。また、使用している蛍光色素の
蛍光強度が異なる場合、その強度に応じて各測定角度毎
に、１画素の積分時間や、加算平均の回数をフレキシブ
ルに変更できる構成となっており、したがって、高い信
号対雑音比で高速に画像データを得ることができる。得
られた画像は、電気泳動時の拡散などにより、隣接した
画素の値は比較的に近い値を持つ。このような検出され
る画像の特性を利用して、逆演算の高速化を図かること
ができる。この演算は、制御回路２７内にあるデータ処
理プロセッサが、メモリ２８より測定データを取り込
み、所定のプログラムに従い演算を行うことで実行され
る。メモリ２８内の演算によって得られた最終的なデー
タは、インタフェース制御回路２９を通して、データ処
理装置８に送られる。このような一連の信号処理の全体
の制御もまた制御回路２７が行う。なお、光学フィルタ
２４の通過帯域が互いの角度において、重ならないよう
にすることによって、演算処理なしにそれぞれの波長域
の蛍光強度データが得られることは言うまでもない。し
かし、この場合には、検出できる蛍光強度が微弱となる
ため、高感度の光電変換部が必要となる。

【００６３】次に、本実施例にかかる多色泳動パターン
読み取り装置を用いて、ゲル以外の媒体に泳動した試料
を転写して電気泳動パターンを読み取る読み取り方法に
ついて説明する。

【００６４】これは、予じめ蛍光色素で標識することが
困難な場合などにおいて用いる方法である。この読み取
り方法の手順としては、まず、蛍光標識されていない試
料をゲル上で電気気泳動により分離し、電気泳動が終っ
たら、ゲルの上に薄膜フィルタを載せ、電気泳動と同じ
原理を利用して、ゲル中から試料を薄膜フィルタに吸い
上げる（転写する）。薄膜フィルタとしては、ニトロセ
ルロースやナイロンなどの材質を用い、試料が吸着しや
するように表面処理が施こされているものを用いる。次
に、この薄膜フィルタ上の試料に結合しやい物質（この
物質はプローブといわれる）を蛍光標識して付着させて
読み取る。

【００６５】図１３は、薄膜フィルタに転写し、蛍光プ
ローブで標識した試料を読み取るための方法を説明する
図である。薄膜フィルタに転写して蛍光プローブで標識
した試料は、当該薄膜フィルタを直接的に、計測部本体
７にセットして読み取ることも可能であるが、薄膜フィ
ルタ自体が白色となっているため、散乱光が強く、蛍光
の検出感度は、ゲルの場合と比較して例えば１桁程度低
い。そのため、蛍光強度の弱いサンプルでは、読み取る
ことが困難な場合もある。この散乱光の強度を低く抑え
るための前処理方法の一例を説明すると、読み取り試料
の処理方法において、ゲルから泳動した試料を薄膜フィ
ルタに転写し、蛍光標識したプローブを泳動試料に付着
させることにより、蛍光を発光するようにした読み取り
試料の薄膜フィルタ８２を、図１３に示すように、緩衝
液８１に浸漬し、ガラス支持板５ａ，５ｂに挟む。この
際、気泡ができるだけ入らないように注意する。ここで
の緩衝液８１は、グリセリンを用いているが、これ以外
であっても、支持板や薄膜フィルタと同様な光学的屈折
率を有し、試料に悪影響を与えないものであれば問題は
ない。薄膜フィルタ８２は微小な穴の開いた素材である
ため、これらの穴の空間は緩衝液８１で覆われることに
なり、散乱光のレベルが大幅に減少する。この薄膜フィ
ルタ８２をガラス支持板５ｂ，５ｃで挟んだ後、ガラス
支持板５ｂ，５ｃで挟んだ読み取り試料を、前述のよう
なゲルを電気泳動した読み取り試料と同様に、計測部本
体７で読み取る。この場合、さらに、無蛍光タイプの薄
膜フィルタを用いれば、Ｓ／Ｎ比がよく、読み取ること
ができる。

【００６６】図１４は、等角速度でミラーをスキャンす
る光走査機構によるスキャン補正を信号処理により行う
実施例を説明する図である。光走査機構として、前述の
図４に示したような振動ミラーまたは回転多面体ミラー
を用いるような構成の場合には、ミラーの回転角速度と
泳動部の走査面の移動速度とが比例関係になく、泳動部
５の試料から検出される蛍光の検出感度に、中央部と端
部とで差が生ずることになる。このため、図４の光走査
機構においては、図６に示すように、振動ミラーを駆動
するミラードライバに補正制御回路を設け、振動ミラー
のミラードライバに回転角速度の駆動速度を補正する構
成としたが、これに替えて、蛍光の検出感度特性を補正
することにより、検出された蛍光の電気信号をデータ処
理する際に、データ処理の段階で補正を行うようにして
もよい。すなわち、この場合には、等速度（等回転角速
度）でミラーをスキャンし、これにより、読み取られた
蛍光の強度を、図１４に示すように、スポット光の移動
速度の関数と逆関数の関係となる関数の特性により、各
々の蛍光の検出位置Ｘに対応して重み付けを行い、読み
取られた蛍光の強度データを補正する。

【００６７】次に本実施例における多色泳動パターン読
み取り装置の構成要素に変形例および多色泳動パターン
読み取り装置を核酸塩基配列決定装置の一部として用い
る場合の応用例の構成について説明する。

【００６８】図１５は、電気泳動と同時に泳動パターン
を読み取る泳動読取りユニットの構成を説明する斜視図
である。レーザビームはゲルの厚み方向に照射されるた
め、アガロースゲルなどにも適用できる。図１５に示す
ように、泳動読取りユニット４１は、開放できる扉４１
ａに面してその前面側に電気泳動ユニット５が設けられ
おり、後部側に計測部ユニットが設けられている。電気
泳動と同時に後部側に載置してある計測部ユニットの励
起光源からの走査光は、照射窓４０を通して電気泳動部
ユニット５に照射される。この電気泳動部ユニット５の
ゲルを通過した光は、光トラップ３２に入り滅光され、
筐体内には不要な迷光が発生しないように防止する構成
となっている。電気泳動部ユニット５内にあるゲル中か
ら発生する蛍光は、シリンドリカルレンズ２３を通して
散乱光と分離されて集光される。以後は、前述した泳動
パターンの蛍光を読み取り装置と同様に処理される。

【００６９】図１６は、ＤＮＡ塩基配列決定の処理フロ
ーを示すフローチャートである。図１６を参照して説明
する。まず、ステップ４５において、ラインプロファイ
ルの抽出処理を行う。例えば、図２１（ｂ）に示したよ
うな蛍光濃度に比例したラインプロファイル波形を各レ
ーン７１〜７４から抽出する。得られたプロファイル波
形は、ゲル５ａの面内の温度分布やゲル自身のバラツキ
を含む泳動諸条件の影響を受けて、歪を発生しているた
め、次にステップ４６において、泳動歪補正の処理を行
い、ピーク値認識の処理を行う。泳動歪補正の処理で
は、例えば、歪の中で特に泳動距離に関係する要因を時
間的なデータの伸縮，移動を施すことにより補正する。
次に、補正したラインプロファイル波形に対してピーク
値認識の処理を行う。データの伸縮などの歪補正の処理
では、Ａ，Ｃ，Ｇ，Ｔの各塩基ごとにレーン７１〜７４
のピーク値が同一ＤＮＡの試料であれば重ならない特性
を利用して泳動歪補正を行う。このステップ４６の処理
では、ピーク位置認識と泳動歪補正を反復しながら処理
を行い、適切な条件（例えば、Ａ，Ｃ，Ｇ，Ｔの各レー
ンに全てのピーク間隔が所望の範囲に入る条件）などを
満したときに、ステップ４６の処理を終了させる。次に
ステップ４７において塩基配列決定の処理を行う。塩基
配列決定の処理では、得られたピーク値の位置データか
ら当該ピーク値の所属するレーンのＤＮＡの記号を並べ
て、ＤＮＡの塩基配列を決定する処理を行う。このよう
な泳動パターンの画像データにより、一連の塩基配列決
定の処理を行う場合においても、原始データ（泳動パタ
ーンの画像データ）は全て光磁気ディスクに格納してあ
るため、ＤＮＡの塩基配列決定の処理結果の出力と共
に、従来のオートラジオグラフィと同様な形式で泳動パ
ターンの画像データをイメージプリンタからの出力する
こともできる。

【００７０】図１７は、図１５に示した泳動読取りユニ
ット４１を複数台接続して使用する場合のシステム構成
例を示す図である。電気泳動と同時に読み取る泳動読取
りユニット４１は、電気泳動に必要な時間（５〜８時
間）を読み取り時間として要するため、スループットが
悪くなる。それを改善するため、図１７のシステム構成
では、泳動読取りユニット４１Ａ，泳動読取りユニット
４１Ｂなどを複数個接続し、複数の泳動読取りユニット
４１Ａ，４１Ｂを同時に稼働させて、全体の効率を向上
させるシステム構成としている。複数の泳動読取りユニ
ット４１は、例えばＩＥＥＥ−４８８規格に基づくイン
タフェース４３を用いて、データ処理装置４２に接続さ
れる。また、データ処理装置４２は、例えば、図１８に
おいて説明したようなデータ処理装置５２がそのまま利
用することができる。この場合、データ処理装置４２に
は、複数の泳動読取りユニット４１Ａ，４１Ｂにより、
読み取った泳動パターンの大量データを格納するため、
大きな記憶容量を有する光磁気ディスク装置５８が接続
されている。また、データ処理装置４２と各々の泳動読
取りユニット４１Ａ，４１Ｂを接続するその他のインタ
フェースとしては、ＳＣＳＩ（Ｓｍａｌｌ Ｃｏｍｐｕ
ｔｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）などを用
いることができる。このようなシステム構成では、蛍光
波長別のデータを求める演算処理は、各々の泳動読取り
ユニット４１Ａ，４１Ｂ内にそれぞれ有しているが、デ
ータ処理装置４２の側にデータ処理部を設け、独立また
は共用化することによって、低コストのシステム構成と
することができる。

【００７１】このようにして得られた蛍光波長別のデー
タは、画像データとして、大きな記憶容量を有する光磁
気ディスク装置５８などに記録されるが、読み取り泳動
パターンが多くなるため、ここでは、更に画像データを
圧縮して記憶する。この場合のデータ圧縮の手法は、泳
動パターンの画像データの特性を利用して、データ圧縮
を行っても、画像データの品質が劣化しないデータ圧縮
方式を用いる。すなわち、ここでの例では、１画素２バ
イトで１ライン当り、２０４８画素としているため、こ
のときの画像データ量は蛍光色素の１成分につき、１画
面で２０Ｍバイトを越える量となる。蛍光色素の種類を
４種とした場合、約１００Ｍバイトにも及ぶ。しかし、
ここでの電気泳動による泳動パターン画像は、泳動時の
拡散現象などを伴うため、比較的隣接した画素どうしの
相関が高い。このため、その性質を有効利用してデータ
量を圧縮する。例えば、単純に隣接画素の差分を記録す
るデータ圧縮方式とし、２次元的なブロック化を施し
て、そのブロック単位で圧縮することにより、平均的に
は１／１０程度に圧縮することができる。電気泳動で
は、同一分子量の集まりであるバンドやドットの移動と
共に、試料の拡散が発生するため、釣鐘状の分布（ガウ
ス分布）となる。これらの分布は非常に滑らかである。
この特徴を利用することで画像データのデータ圧縮を有
効に利用することができる。例えば、隣接する１以上の
画素の値の線形結合で表わされる数値からの当該画素の
差分値でデータを記録する。具体的には、各ラインごと
に最左端画素を基準として順次隣接した左隣り画素に対
する当該画素の差分値を記憶している。また、その他の
例として、隣接した上下左右方向の４画素の平均値を求
め、その平均値からの差分値を記憶するデータ圧縮方法
も有効である。このような方法であると、データ圧縮お
よび伸張のための演算に必要なステップ数が比較的に少
なく、短時間でデータ圧縮・伸張の処理を行うことがで
きる。また、単純に差分を取るだけでなく、算術符号化
などの各種符号化や、自己回帰モデルなどを用いた圧縮
を行うことにより、更に圧縮率の大きなデータ圧縮を行
うことが可能である。

【００７２】

【００７３】以上、本発明を実施例にもとづき具体的に
説明したが、本発明は、前記実施例に限定されるもので
はなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可
能であることは言うまでもない。

【００７４】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明の多色泳
動パターン読み取り装置によれば、複数種類の蛍光色素
の標識を読み取るために、光学フィルタの角度別透過波
長特性を用いて、角度を変えながら複数の波長における
蛍光強度を測定するため、非常に簡単なシステムで多色
化が実現できる。したがって、コストが安く、保守性の
良いシステムとすることができる。また、蛍光波長別に
光の成分を分離して読み取ることにより、２種以上の試
料の同時の電気泳動結果が得られる。したがって、各種
泳動歪は、それらのサンプルが同じくうけるため分子量
の比較などの泳動結果の比較が非常に容易である。ま
た、電気泳動を終了した結果のゲルを装着して読み取る
装置であるため、１次元電気泳動の結果だけでなく、２
次元電気泳動などの結果であっても同様に読み取ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の一実施例にかかる蛍光式電気
泳動パターン読み取り装置の全体構成を説明する概略
図、

【図２】図２は、計測部本体の要部の構成を示すブロッ
ク図、

【図３】図３は、計測部本体に装着する泳動部ユニット
の装着位置を説明する図、

【図４】図４は、振動ミラーを用いてゲル面をレーザビ
ームでスキャンする光走査機構を説明する図、

【図５】図５は、振動ミラーの回転角とレーザビームの
スポット光の移動距離の関係を説明する図、

【図６】図６は、振動ミラーを回転駆動制御するミラー
ドライバの制御回路の要部構成を示すブロック図、

【図７】図７は、集光器および光電変換部における光学
系の詳細な構成を示す図、

【図８】図８は、光学フィルタの光軸の入射角度を変え
る光学フィルタ回転駆動機構を説明する図、

【図９】図９は、簡略化した構成とした光電変換部の他
の構成例を示す図、

【図１０】図１０は、積分回路を含む増幅器の回路構成
を示す回路図、

【図１１】図１１は、増幅器の読み取り動作のタイミン
グを示すタイムチャート、

【図１２】図１２は光学フィルタ２４ｄの角度特性Θ，
測定画素における蛍光強度の波長分布Χ，測定時のノイ
ズη，および測定値Ψの関係を模式的に行列表現した
図、

【図１３】図１３は、薄膜フィルタに転写し、蛍光プロ
ーブで標識した試料を読み取るための方法を説明する
図、

【図１４】図１４は、等角速度でミラーをスキャンする
光走査機構によるスキャン補正を信号処理により行う場
合の実施例を説明する図、

【図１５】図１５は、電気泳動と同時に泳動パターンを
読み取る泳動読取りユニットの構成を説明する斜視図、

【図１６】図１６は、ＤＮＡ塩基配列決定の処理フロー
を示すフローチャート、

【図１７】図１７は、図１５に示した泳動読取りユニッ
トを複数台接続して使用する場合のシステム構成例を示
す図、

【図１８】図１８は、従来の蛍光式電気泳動装置の外観
を示す斜視図、

【図１９】図１９は、泳動計測装置の内部の構成を示す
ブロック図、

【図２０】図２０（ａ）および（ｂ）は、蛍光法による
電気泳動パターン検出の動作原理を示す泳動部の正面図
および縦断面図、

【図２１】図２１（ａ）および（ｂ）は、泳動計測装置
から送出されるＤＮＡ断片の蛍光強度パターン信号の例
を説明する図、

【図２２】図２２は、電気泳動を行ったＤＮＡ断片の分
布例を示す図である。

【符号の説明】

１…電気泳動ユニット、２ａ…第１電極、２ｂ…第２電
極、３…支持板、４…電気泳動用電源装置、５…泳動部
ユニット（泳動部）、６…読み取りユニット、７…計測
部本体、８…データ処理装置、９…イメージプリンタ、
１０…制御回路、１１…光源、１２…光ファイバ、１３
…蛍光、１４…集光器、１５…光学フィルタ、１６…光
センサ、１７…増幅器、１８…アナログ・ディジタル変
換回路、１９…信号処理部、２０…インタフェース、２
１…光源、２２…振動ミラー、２３…集光器、２４…光
電変換部、２５…増幅器、２６…アナログ・ディジタル
変換回路、２７…制御回路、２８…記憶回路、２９…イ
ンタフェース回路、３０…ミラードライバ、３１…レー
ザビーム、３２…光トラップ、４１…泳動読取りユニッ
ト、５１…泳動計測装置、５１ａ…扉、５１ｂ…操作パ
ネル、５２…データ処理装置、５３…ケーブル、５４…
計算機本体、５５…キーボード、５６…ディスプレイ、
５７…プリンタ、５８…光磁気ディスク装置、６３…電
気泳動部装置、６４…信号処理装置、６１…光路、６２
…走査線、６６…バンド、７１，７２，７３，７４…レ
ーン。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 奈須 永典 神奈川県横浜市中区尾上町６丁目81番地 日立ソフトウエアエンジニアリング株 式会社内 (56)参考文献 特開 昭61−62843（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−128156（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−203255（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−236441（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−240547（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−263458（ＪＰ，Ａ)

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の試料に電気泳動を行って展開した
   泳動パターンに対して、各試料に個別に標識した２つ以
   上の蛍光物質を励起して蛍光を発光させ、発光する蛍光
   パターンを読み取る多色泳動パターン読み取り装置であ
   って、 泳動パターンの蛍光物質を励起させる照射光を発光する
   光源と、 光源からの照射光を走査してゲルの厚み方向に照射する
   光走査機構と、 照射光の光軸とは異なる方向に受光面を設定して受光経
   路の空間的位置関係により泳動パターンからの蛍光を読
   取り面の散乱光から分離して受光する受光部と、 光軸に対して入射角度が制御可能な光学フィルタにより
   受光部で受光した光信号から所定の蛍光波長を分離する
   蛍光波長分離部と、 蛍光波長分離部を通過した光信号の光電変換を行って電
   気信号を出力する光電変換部と、 コンデンサから構成される積分回路を備え、光走査機構
   による照射光の走査と同期して、積分回路の積分動作の
   制御を行い、積分時間および読み取り走査回数は、蛍光
   波長分離部の光学フィルタにおける光信号の入射角度に
   応じて変化させる信号処理を行う信号処理部とを備えた
   ことを特徴とする多色泳動パターン読み取り装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の多色泳動パターン読み
   取り装置において、蛍光波長分離部の光学フィルタに替
   えて、光軸に対して入射角度が制御可能な回折格子を用
   いることを特徴とする多色泳動パターン読み取り装置。
3. 【請求項３】 信号処理部は、コンデンサから構成され
   る積分回路を備え、光走査機構による照射光の走査と同
   期して、積分回路の積分動作の制御を行い、積分時間お
   よび読み取り走査回数は、蛍光波長分離部の回折格子に
   おける光信号の入射角度に応じて変化させる信号処理を
   行うことを特徴とする請求項２に記載の多色泳動パター
   ン読み取り装置。
4. 【請求項４】 更に、信号処理部は、画素近傍の１つ以
   上の画素に線形結合で表現される数値との差分値を取る
   画像圧縮処理を行う画像圧縮処理部を備え、読み取った
   泳動パターンの画像データを圧縮した差分値として記憶
   保存することを特徴とする請求項１に記載の多色泳動パ
   ターン読み取り装置。
5. 【請求項５】 請求項１に記載の多色泳動パターン読み
   取り装置を用いて、核酸塩基の配列を判定する多色蛍光
   式核酸塩基配列決定装置であって、更に、信号処理部か
   ら得られた複数の核酸塩基の泳動パターンの画像データ
   から核酸塩基配列を判定するデータ処理部を備え、核酸
   塩基の複数の試料の電気泳動を行い、複数の核酸塩基の
   泳動パターンから核酸塩基の配列を判定することを特徴
   とする多色蛍光式核酸塩基配列決定装置。
6. 【請求項６】 請求項１に記載の多色泳動パターン読み
   取り装置を用いて、核酸塩基の配列を判定する多色蛍光
   式核酸塩基配列決定装置であって、前記多色泳動パター
   ン読み取り装置の複数組と、各信号処理部から得られた
   複数の核酸塩基の泳動パターンの画像データから核酸塩
   基配列を判定するデータ処理部とを備え、複数の多色泳
   動パターン読み取り装置を並行して動作させ、単一のデ
   ータ処理部により、信号処理部から得られた複数の核酸
   塩基の泳動パターンの画像データから核酸塩基配列を読
   み取ることを特徴とする多色蛍光式核酸塩基決定装置。