專利名稱：發(fā)光強度測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于測量生物芯片的發(fā)光強度的發(fā)光強度測量裝置。
背景技術(shù)：
在生物科學等領(lǐng)域中，可執(zhí)行從“間格化區(qū)域(compartmentalized area) ”產(chǎn)生的光發(fā)射檢測的測量。間格化區(qū)域例如可為與其他樣本分開來容納一樣本的區(qū)域，如在基板上以陣列方式配置大量凹部的生物芯片中的每個凹部。在生物芯片中，諸如DNA、蛋白質(zhì)或者糖鏈的生物分子、具有這些物質(zhì)中的任一種的細胞等預先被固定在每個凹部(well)中。當包括目標分子的樣本被提供給這種芯片時，只有針對生物芯片上的生物分子(下文中，為固定分子)而言為特定的目標分子結(jié)合至固 定分子。在凹部(固定分子和目標分子通過結(jié)合至目標分子的發(fā)光體而彼此結(jié)合)中引發(fā)光發(fā)射，并且測量發(fā)光強度。由此，可以確定包括在樣本中的目標分子的結(jié)構(gòu)和數(shù)量。通過與生物芯片相對設(shè)置的光接收元件(諸如電荷耦合器件(CCD)圖像傳感器或者互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器)來執(zhí)行發(fā)光強度的測量。生物芯片中的光發(fā)射在許多情況下為微發(fā)光，并且需要精確地測量微弱光。為了精確地檢測微發(fā)光，減少在光接收元件中產(chǎn)生的噪聲將是有效的。例如，日本專利公開第2010-217087號(第
段)中描述的“biochipkensa souti”(英語為“biochip examining device”)從對生物芯片成像所獲得的圖像中校正來源于光學讀取裝
置的噪聲。

發(fā)明內(nèi)容
為了去除在光接收元件中產(chǎn)生的噪聲，一般預先分選出產(chǎn)生大噪聲的光接收元件，并且一經(jīng)檢測到光發(fā)射就排除這些光接收元件的輸出。然而，特別地，在CMOS圖像傳感器的情況下，光接收元件的噪聲強度分布是連續(xù)的，因此很難基于特定閾值將像素分為使用的像素和未使用的像素。鑒于以上情況做出了本發(fā)明。本發(fā)明提供一種能夠減少光接收元件中產(chǎn)生的噪聲對發(fā)光強度測量的影響的發(fā)光強度測量裝置。根據(jù)本發(fā)明的一實施方式，提供一種發(fā)光強度測量裝置，包括光接收單元，與具有其中容納樣本的多個間格的生物芯片相對地設(shè)置，并且包括進行排列的多個光接收元件；確定部，基于預先獲得的光接收元件的噪聲特性來確定每一光接收元件的權(quán)重比(weight rate);乘算部,將光接收元件各者的輸出乘以權(quán)重比以計算每一光接收元件的加權(quán)輸出；以及加算部，將與間格中的一個分別相對的光接收兀件的加權(quán)輸出相加。根據(jù)該構(gòu)造，通過確定部，針對具有大噪聲特性的光接收元件設(shè)定低權(quán)重比，以及針對具有小噪聲特性的光接收元件設(shè)定高權(quán)重比。然后，通過乘算部將各個光接收元件的輸出乘以設(shè)定的權(quán)重比。因此，可以減少由于光接收元件噪聲特性而對測量結(jié)果的影響。
確定部可以采用與光接收元件的噪聲強度平方的倒數(shù)成正比的值作為權(quán)重比。該構(gòu)造使確定部能夠基于預先獲得的光接收元件的噪聲特性來確定權(quán)重比。確定部可以基于在光接收元件組中的光接收元件的接收光強度分布來計算權(quán)重t匕，其中，光接收元件組由與同一間格相對的光接收元件組成。在光接收元件組中，取決于與間格的位置關(guān)系，在接收光強度中通常呈現(xiàn)分布。例如，當在間格之一中引起光發(fā)射時，直接 位于該間格下的光接收元件的接收光強度高于不直接位于該間格下的光接收元件的接收光強度。因此，通過利用確定部基于光接收元件的接收光強度分布來計算權(quán)重比，可防止歸因于具有低接收光強度的光接收元件的噪聲被放大。確定部可采用與接收光強度分布成正比的值作為權(quán)重比。該構(gòu)造使確定部能夠基于光接收元件的接收光強度分布來計算權(quán)重比。確定部可將權(quán)重比標準化，使得每個光接收元件組可以提供相對于同一接收光強度的相同輸出。該構(gòu)造使得能夠?qū)⒍鄠€光接收元件組的接收光強度值(即，各個間格的發(fā)光強度值)彼此比較。光接收元件可為互補金屬氧化物半導體圖像傳感器。在互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器的情況下，各個光接收元件的噪聲特性由于其結(jié)構(gòu)而趨于是連續(xù)性的。因此，基于特定閾值確定是否使用光接收元件的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)是不夠的，而采用本發(fā)明的一實施方式是有效的。如上所述，本發(fā)明的一實施方式可以提供一種能夠減少光接收元件中產(chǎn)生的噪聲對發(fā)光強度測量的影響的發(fā)光強度測量裝置。


圖I是示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的發(fā)光強度測量裝置的示意圖；圖2是發(fā)光強度測量裝置的局部放大圖；圖3A至圖3E是示出了通過使用發(fā)光強度測量裝置執(zhí)行測量的ELISA方法的概述的示圖；以及圖4是示出了激勵光照射到發(fā)光強度測量裝置的生物芯片的狀態(tài)的示意圖。
具體實施例方式下文將參考附圖描述本發(fā)明的實施方式。[發(fā)光強度測量裝置的構(gòu)造]圖I是示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的發(fā)光強度測量裝置I的概況的示意圖。圖2是發(fā)光強度測量裝置I的局部放大圖。如這些圖所示，發(fā)光強度測量裝置I具有生物芯片2、激勵光截止濾光片3、光接收單元4和信號處理裝置5。在圖2中，省略激勵光截止濾光片3。生物芯片2和光接收單元4通過激勵光截止濾光片3這一中間物而彼此相對，以及光接收單元4連接至信號處理裝置5。在本實施方式中，發(fā)光強度測量裝置I被配置為用于檢測抗原的熒光的裝置。然而，只要發(fā)光強度測量裝置I為用于檢測光發(fā)射的裝置，也能夠采用另一構(gòu)造。
生物芯片2配置了多個凹部21。被形成為彼此間格化的凹陷可以用作凹部21，并且每個凹部21可獨立于其他凹部21來容納樣本。盡管生物芯片2的類型包括脫氧核糖核酸(DNA)芯片、蛋白質(zhì)芯片、糖鏈芯片、細胞芯片等，但是生物芯片2的類型可以為任意類型。例如，可以使用每一邊的長度為幾厘米且凹部21的直徑為幾十微米的生物芯片作為生物芯片2。激勵光截止濾光片3用于阻擋照射到生物芯片2的激勵光，使得可防止激勵光到達光接收單元4，并且將激勵光與由激勵光照射引起的熒光分離。任何的截止濾光片均可被用作激勵光截止濾光片3。光接收單元4已經(jīng)配置了多個光接收元件41。光接收元件41為諸如電荷耦合器件(CCD)或者互補金屬氧化物半導體(CMOS)的光電轉(zhuǎn)換元件。光接收單元4可以為其中二維配置光接收元件41的圖像傳感器，或者可為其中一維配置光接收元件41的線傳感器。具體地，優(yōu)選采用允許在凹部21與光接收元件41之間容易對準并且在凹部21的形狀與光接收元件41的形狀之間適合度(fitness)極好的圖像傳感器。光接收單元4將各個光接 收元件41的輸出提供給信號處理裝置5。盡管輸出系統(tǒng)根據(jù)CCD、CM0S等的元件結(jié)構(gòu)而不同，但各個光接收元件41的輸出彼此獨立地被輸出。光接收單元4與生物芯片2相對地設(shè)置。具體地，如圖2所示，光接收單元4被設(shè)置為使得多個光接收元件41與生物芯片2的凹部21的各個凹部相對。與一個凹部21相對的光接收元件41的組被定義為群集(cluster) 42。即，光接收單元4具有與凹部21的數(shù)目相同的群集42的數(shù)目。在群集42中，存在具有各種噪聲特性的光接收元件41。例如，如果光接收元件41為CMOS元件，則噪聲為暗電流噪聲、切換噪聲等。此外，例如，暗電流噪聲被劃分為與時間成正比且可預見的系統(tǒng)噪聲成分以及具有與暗電流成正比的分散度且不可預見的統(tǒng)計噪聲成分。在這些噪聲成分中，特別地，不可校正的統(tǒng)計噪聲成為發(fā)光強度測量中的問題。以下描述是基于假設(shè)噪聲為統(tǒng)計噪聲的。在圖2中，基于灰度而示例出說明各個光接收元件41的噪聲強度。以此方式，每一群集42均包括具有不同噪聲強度的光接收元件41。信號處理裝置5基于光接收單元4的各個光接收元件41的輸出來執(zhí)行下文所述的信號處理。如圖I所示，信號處理裝置5具有確定部51、乘算部52和加算部53。這些各自的構(gòu)造可通過信號處理電路來實現(xiàn)，或者可通過算術(shù)處理裝置的程序來實現(xiàn)。乘算部52連接至光接收單元4，以及確定部51連接至乘算部52。加算部53連接至乘算部52，以及加算部53的輸出從信號處理裝置5輸出。確定部51確定每一光接收元件41的“權(quán)重比”。盡管將在下文中描述由確定部51確定權(quán)重比的方法的細節(jié)，但確定部51根據(jù)來源于光接收元件41的固有噪聲的每一光接收元件41的“統(tǒng)計噪聲強度”和來源于群集42中的假設(shè)光強度的“信號敏感度”來確定權(quán)重比。此外，確定部51根據(jù)需要將權(quán)重比標準化，使得可在群集42中比較接收光強度。確定部51將權(quán)重比輸出至乘算部52。乘算部52將各個光接收元件41的輸出乘以從確定部51輸出的權(quán)重比。下文中，光接收元件41乘以權(quán)重比的輸出被稱為“加權(quán)輸出”。通過乘法，各個光接收元件41的輸出隨著統(tǒng)計噪聲強度和信號敏感度而增加和減少。乘算部52將加權(quán)輸出輸出至加算部53。加算部53基于每一群集42而將從乘算部52輸出的各個光接收元件41的加權(quán)輸出相加。由此，計算出群集42的單元中的接收光強度。加算部53從信號處理裝置5輸出群集42的單元中的接收光強度。[使用發(fā)光強度測量裝置的發(fā)光強度測量方法]將描述 通過使用發(fā)光強度測量裝置I的發(fā)光強度測量方法。首先，由使用者制備生物芯片2。盡管存在使用生物芯片的多種發(fā)光強度測量方法，但本實施方式可以應用于這些方法中的任一種。這里，將示意性地描述作為這些方法之一的酶聯(lián)免疫吸附試驗(ELISA)方法(夾心方法)。圖3是示出了 ELISA方法的略圖的示意圖。該圖示意性地示出了生物芯片2的一個凹部21。如圖3A所示，將能夠結(jié)合至作為量化目標的蛋白質(zhì)(下文中，為所關(guān)注的蛋白質(zhì))的抗體A固定至凹部21。此時，例如，可以將能夠結(jié)合至具有不同結(jié)構(gòu)的所關(guān)注的蛋白質(zhì)的抗體固定至其他凹部21。接著，如圖3B所示，將包括所關(guān)注的蛋白質(zhì)的樣本提供給凹部21，并且所關(guān)注的蛋白質(zhì)B結(jié)合至抗體A。隨后，如圖3C所示，將能夠結(jié)合至所關(guān)注的蛋白質(zhì)的一次抗體C提供給凹部21，并且將該一次抗體C結(jié)合至所關(guān)注的蛋白質(zhì)B。此后，將沒有結(jié)合的所關(guān)注的蛋白質(zhì)B和一次抗體C沖洗干凈。如圖3D所示，可以將能夠結(jié)合至一次抗體C的二次抗體D提供給凹部21，并且將二次抗體D結(jié)合至一次抗體C。二次抗體通過熒光分子來標記。如圖3E所示，當激勵光照射到凹部21時，熒光分子產(chǎn)生熒光。即，如果在特定凹部21周圍發(fā)現(xiàn)熒光強度，則使能對應于凹部21的所關(guān)注的蛋白質(zhì)B的定量測定。在ELISA方法中的熒光的情況下，發(fā)光體為分子級，并且發(fā)光強度是微小的。因此，采用諸如延長光接收元件的曝光時間的對策。然而，在該情況下，光接收元件的噪聲成為問題。特別地，在這種分析中，發(fā)光強度與分析值直接關(guān)聯(lián)，因此，應執(zhí)行從中消除噪聲影響的精確發(fā)光強度測量。這種情況也適用于除ELISA方法以外的發(fā)光強度測量方法。[發(fā)光強度測量裝置的操作]將描述發(fā)光強度測量裝置I的操作。該描述是基于如上所述針對發(fā)光強度測量裝置I的生物芯片2來執(zhí)行通過熒光分子進行標記的假設(shè)。圖4是示出了激勵光照射到生物芯片2的一凹部21的狀態(tài)的示意圖。如圖所示，當激勵光LI照射到凹部21時，熒光L2出現(xiàn)。熒光L2穿過激勵光截止濾光片3 (圖4中未示出)而透射，并且入射在與凹部21相對的群集42上。如圖4所示，在群集42的光接收元件41中，接收光強度分布S取決于與凹部21的位置關(guān)系而形成。各個光接收元件41均執(zhí)行入射熒光的光電轉(zhuǎn)換，并且將轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出至乘算部52。就光接收兀件41為輸出源而言,基于輸出順序來識別每一光接收兀件41的輸出。確定部51確定權(quán)重比。確定部51保留在發(fā)光強度測量之前在各個光接收元件41周圍所測量的暗電流值。一經(jīng)開始發(fā)光強度測量，確定部51就獲得對應于測量時間的暗電流值并且計算暗電流值的平方根。此外，確定部51將作為平方和的平方根的諸如切換噪聲的其他類型的統(tǒng)計噪聲相加到該平方根，并且采用該求和結(jié)果作為光接收元件41的噪聲強度Nijtl Nij是指在排列的光接收元件41中第i行和第j列上的光接收元件41的噪聲強度(下文中，這也適用于其他下標)。此外，確定部51保留通過預先測量或者計算所獲得的群集42中的接收光強度分布S。確定部51采用該接收光強度分布作為假定接收光強度。此外，如果在光接收元件41之間相對于同一光強度存在敏感度差，則確定部51將假定接收光強度乘以該敏感度差以獲得信號敏感度Sij確定部51根據(jù)統(tǒng)計噪聲強度Nij和信號敏感度Sij來計算權(quán)重比Rijt5下文將描述用于推導權(quán)重比Ru的方法。如果每一光接收元件41的噪聲與其他光接收元件41的噪聲不相關(guān)，則構(gòu)成群集42的光接收元件41在加權(quán)之后的信噪(SN)比由下面的表達式I所示的等式給出。[表達式I]
權(quán)利要求
1.一種發(fā)光強度測量裝置，包括 光接收單元，被構(gòu)造為與具有其中容納樣本的多個間格的生物芯片相對地設(shè)置，并且包括排列的多個光接收元件； 確定部，被構(gòu)造為基于預先獲得的光接收元件的噪聲特性來確定每一光接收元件的權(quán)重比； 乘算部，被構(gòu)造為將所述每一光接收元件的輸出乘以所述權(quán)重比以計算所述每一光接收元件的加權(quán)輸出；以及 加算部，被構(gòu)造為將分別與間格中的一個相對的光接收元件的加權(quán)輸出相加。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的發(fā)光強度測量裝置， 其中，所述確定部采用與所述光接收元件的噪聲強度的平方的倒數(shù)成正比的值作為所述權(quán)重比。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)光強度測量裝置， 其中，所述確定部基于在光接收元件組中的光接收元件的接收光強度分布來計算所述權(quán)重比，其中，所述光接收元件組由與同一間格相對的光接收元件組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的發(fā)光強度測量裝置， 其中，所述確定部采用與所述接收光強度分布成正比的值作為所述權(quán)重比。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的發(fā)光強度測量裝置， 其中，所述確定部將所述權(quán)重比標準化，使得每一光接收元件組關(guān)于同一接收光強度提供相同的輸出。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的發(fā)光強度測量裝置， 其中，所述光接收元件為互補金屬氧化物半導體圖像傳感器。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的發(fā)光強度測量裝置， 其中，所述光接收單元為圖像傳感器或者線傳感器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種發(fā)光強度測量裝置，包括光接收單元，與具有其中容納樣本的多個間格的生物芯片相對地設(shè)置，并且包括排列的多個光接收元件；和確定部，基于預先獲得的光接收元件的噪聲特性來確定每一光接收元件的權(quán)重比。該發(fā)光強度測量裝置還包括乘算部，將每一光接收元件的輸出乘以權(quán)重比以計算每一光接收元件的加權(quán)輸出；和加算部，將與間格中的一個分別相對的光接收元件的加權(quán)輸出相加。
文檔編號G01N21/64GK102621112SQ20121002009
公開日2012年8月1日 申請日期2012年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月27日
發(fā)明者田口步 申請人:索尼公司