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JP4576557B2 - Biopolymer analysis chip and analysis support device - Google Patents
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Description

本発明は、生体高分子の構造を特定するために用いる生体高分子分析チップ及び分析支援装置に関する。 The present invention relates to a biopolymer analysis chip and an analysis support device used for specifying the structure of a biopolymer.

近年、医療分野、農業分野等の幅広い分野で生物の遺伝子情報が利用されるようになってきているが、遺伝子の利用に際しては、DNAの構造解明が不可欠である。DNAは螺旋状によじれあった2本のポリヌクレオチド鎖を有し、それぞれのポリヌクレオチド鎖は4種の塩基(アデニン:A、グアニン:G、シトシン:C、チミン:T)が一次元的に並んだ塩基配列を有し、アデニンとチミン、グアニンとシトシンという相補性に基づいて一方のポリヌクレオチド鎖の塩基が他方のポリヌクレオチド鎖の塩基に結合している。   In recent years, genetic information on living organisms has been used in a wide range of fields such as the medical field and the agricultural field. However, elucidation of the DNA structure is indispensable when using genes. DNA has two polynucleotide strands that are twisted in a spiral shape, and each polynucleotide strand is one-dimensionally composed of four types of bases (adenine: A, guanine: G, cytosine: C, thymine: T). Based on the complementarity of adenine and thymine and guanine and cytosine, the bases of one polynucleotide chain are bonded to the bases of the other polynucleotide chain.

DNAの構造解明とは、塩基配列を特定することであり、DNAの塩基配列を特定するためにDNAマイクロアレイ及びその読取装置が開発されており(特許文献1)、DNAマイクロアレイ及びその読取装置を用いて次のようにしてサンプルDNAの塩基配列を特定する。   The elucidation of the structure of DNA is to specify the base sequence, and in order to specify the base sequence of DNA, a DNA microarray and its reader have been developed (Patent Document 1), and the DNA microarray and its reader are used. The base sequence of the sample DNA is specified as follows.

まず、既知の塩基配列を有した複数種類のcDNAをスライドガラス等の固体担体に整列固定させたDNAマイクロアレイを準備する。次に、被検出物であるサンプルDNAを一本鎖のDNAに変性して、変性したサンプルDNAに蛍光物質等を結合させる。   First, a DNA microarray is prepared in which a plurality of types of cDNA having a known base sequence are aligned and fixed on a solid support such as a slide glass. Next, the sample DNA, which is an object to be detected, is denatured into single-stranded DNA, and a fluorescent substance or the like is bound to the denatured sample DNA.

次に、サンプルDNAをDNAマイクロアレイ上に添加すると、サンプルDNAがハイブリダイゼーションによってDNAマイクロアレイ上に固定される。つまり、サンプルDNAが複数種類のcDNAのうち相補的なcDNAと結合して、二本鎖が生じる。一方、サンプルDNAは、相補性を有しないcDNAとは結合しない。サンプルDNAに蛍光物質でマーキングを施しているため、サンプルDNAと結合したcDNAが蛍光を発することになる。例えば、TCGGGAAという塩基配列を有するサンプルDNAは、AGCCCTTという塩基配列を有するcDNAと結合し、そのcDNAが蛍光を発する。   Next, when sample DNA is added onto the DNA microarray, the sample DNA is immobilized on the DNA microarray by hybridization. That is, the sample DNA is combined with complementary cDNAs among a plurality of types of cDNAs to form double strands. On the other hand, sample DNA does not bind to cDNA having no complementarity. Since the sample DNA is marked with a fluorescent substance, the cDNA combined with the sample DNA emits fluorescence. For example, sample DNA having a base sequence of TCGGGAA binds to cDNA having a base sequence of AGCCCTT, and the cDNA emits fluorescence.

次いで、DNAマイクロアレイを読取装置にセッティングし、読取装置にて分析する。読取装置は、光源から発した励起光をコリメーターレンズによりビームとして収束し、ビームをDNAマイクロアレイに対して二次元走査し、ビームの二次元走査と共に集光レンズ及びフォトマルも二次元走査し、ビームにより発した蛍光を集光レンズでフォトマルに集光させ、蛍光強度をフォトマルで計測し、二次元走査によってDNAマイクロアレイの面内の蛍光強度分布を計測するようになっている。これにより、DNAマイクロアレイ上の蛍光強度分布が二次元の画像として出力される。出力された画像内で蛍光強度が大きい部分には、サンプルDNAの塩基配列と相補的な塩基配列を有したcDNAが含まれていることを表している。従って、二次元画像中のどの部分の蛍光強度が大きいかによってサンプルDNAの塩基配列を特定することができる。
特開2000−131237号公報
Next, the DNA microarray is set in a reader and analyzed by the reader. The reader converges the excitation light emitted from the light source as a beam by a collimator lens, scans the beam two-dimensionally with respect to the DNA microarray, and also scans the condensing lens and the photomultiplier with the two-dimensional scan of the beam, The fluorescence emitted by the beam is condensed on a photomultiplier by a condensing lens, the fluorescence intensity is measured by the photomultiplier, and the fluorescence intensity distribution in the surface of the DNA microarray is measured by two-dimensional scanning. Thereby, the fluorescence intensity distribution on the DNA microarray is output as a two-dimensional image. In the output image, the portion having a high fluorescence intensity indicates that cDNA having a base sequence complementary to the base sequence of the sample DNA is included. Therefore, the base sequence of the sample DNA can be specified depending on which part of the two-dimensional image has a high fluorescence intensity.
JP 2000-1312237 A

ところが、従来のDNAマイクロアレイを用いてDNAを分析するには、DNAマイクロアレイに対してビーム及びフォトマル等を走査する機構を必要とし、読取装置全体が大きいという問題がある。   However, in order to analyze DNA using a conventional DNA microarray, a mechanism for scanning the DNA microarray with a beam, a photomultiplier or the like is required, and there is a problem that the entire reading apparatus is large.

そこで、本発明は、上記のような問題点を解決しようとしてなされたものであり、走査機構を必要がなくても生体高分子を分析することができる生体高分子分析チップ及び分析支援装置を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a biopolymer analysis chip and an analysis support apparatus that can analyze a biopolymer without the need for a scanning mechanism. The purpose is to do.

以上の課題を解決するために、本発明の生体高分子分析チップは、固体撮像デバイスと、円柱状のレンズの中心軸を互いに平行となるように複数の前記レンズを平面状に配列した光学系であり、一方の面から他方の面に像を伝送し複数の前記レンズ全体で一つの連続した像を形成する光学系であって、前記一方の面が前記固体撮像デバイスの受光面に対向し、且つ当接するよう前記固体撮像デバイスの受光面上に載置されたレンズアレイと、前記レンズアレイの他方の面に成膜された励起光遮蔽膜と、既知の生体高分子からなり、前記レンズアレイの他方の面に沿って点在し、前記励起光遮蔽膜に直接点着された複数種のスポットと、を備える。 In order to solve the above problems, a biopolymer analysis chip of the present invention includes a solid-state imaging device and an optical system in which a plurality of lenses are arranged in a plane so that the central axes of cylindrical lenses are parallel to each other An optical system that transmits an image from one surface to the other surface and forms one continuous image by the whole of the plurality of lenses , the one surface facing the light receiving surface of the solid-state imaging device. And a lens array placed on the light receiving surface of the solid-state imaging device so as to abut, an excitation light shielding film formed on the other surface of the lens array, and a known biopolymer, and the lens A plurality of spots scattered along the other surface of the array and spotted directly on the excitation light shielding film .

また、本発明においては、前記レンズアレイが前記固体撮像デバイスの受光面に対して接離可能であることが好ましい In the present invention, it is preferable that the lens array can be brought into contact with and separated from the light receiving surface of the solid-state imaging device .

以上の課題を解決するために、本発明の分析支援装置は、固体撮像デバイスと、円柱状のレンズの中心軸を互いに平行となるように複数の前記レンズを平面状に配列した光学系であり、一方の面から他方の面に像を伝送し複数の前記レンズ全体で一つの連続した像を形成する光学系であって、前記一方の面が前記固体撮像デバイスの受光面に対向し、且つ当接するよう前記固体撮像デバイスの受光面上に載置されたレンズアレイと、前記レンズアレイの他方の面に成膜された励起光遮蔽膜と、既知の生体高分子からなり、前記レンズアレイの他方の面に沿って点在し、前記励起光遮蔽膜に直接点着された複数種のスポットと、を備えた生体高分子分析チップと、前記生体高分子分析チップに励起光を照射する励起光照射装置と、が形成されている。 In order to solve the above problems, an analysis support apparatus of the present invention is an optical system in which a solid-state imaging device and a plurality of lenses are arranged in a plane so that the central axes of cylindrical lenses are parallel to each other. An optical system that transmits an image from one surface to the other surface and forms one continuous image across the plurality of lenses , wherein the one surface faces the light receiving surface of the solid-state imaging device, and a lens array placed on the light receiving surface of the solid-state imaging device to abut, and the formed excitation light shielding film on the other surface of the lens array, made from known biopolymers, of the lens array A biopolymer analysis chip including a plurality of spots scattered along the other surface and directly spotted on the excitation light shielding film, and excitation for irradiating the biopolymer analysis chip with excitation light A light irradiation device is formed That.

以上の生体高分子分析チップを用いる際には、標識されたサンプルを光学伝送部の他方の面上に塗布する。そうすると、サンプルが特異的な(例えば、相補的な)スポットには結合し、特異的でないスポットには結合しない。光学伝送部の他方の面に向かって励起光を照射すれば、光学伝送部の他方の面には蛍光強度分布が現れ、この蛍光強度分布が像として光学伝送部によって他方の面から一方の面に伝送される。そのため、固体撮像デバイスで撮像を行えば、サンプルに結合したスポットが付いた部分では蛍光により明るくなり、サンプルに結合していないスポットが付いた部分では暗くなる。以上のように製造された生体高分子分析チップを用いれば、ビーム等の走査を行わずとも固体撮像デバイスで撮像を行うだけで、二次元の画像が得られ、得られた画像からサンプルの分析を行うことができる。   When using the above biopolymer analysis chip, a labeled sample is applied on the other surface of the optical transmission unit. The sample then binds to specific (eg, complementary) spots and not to non-specific spots. If excitation light is irradiated toward the other surface of the optical transmission unit, a fluorescence intensity distribution appears on the other surface of the optical transmission unit, and this fluorescence intensity distribution is displayed as an image from the other surface to the one surface. Is transmitted. For this reason, when imaging is performed with a solid-state imaging device, a portion with a spot bonded to the sample becomes brighter due to fluorescence, and a portion with a spot not bonded to the sample becomes darker. By using the biopolymer analysis chip manufactured as described above, a two-dimensional image can be obtained simply by imaging with a solid-state imaging device without performing scanning of a beam or the like, and analysis of a sample from the obtained image. It can be performed.

本発明によれば、走査を行わずとも固体撮像デバイスで撮像を行うだけで二次元の画像が得られ、生体高分子の分析を行うことができる。   According to the present invention, a two-dimensional image can be obtained simply by performing imaging with a solid-state imaging device without performing scanning, and biopolymers can be analyzed.

また、固体撮像デバイスに光学伝送部が載置されているから、生体高分子分析チップの使用後に光学伝送部を外せば、固体撮像デバイスをそのまま再利用することができる。   In addition, since the optical transmission unit is mounted on the solid-state imaging device, the solid-state imaging device can be reused as it is by removing the optical transmission unit after using the biopolymer analysis chip.

以下に、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。   The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. However, although various technically preferable limitations for implementing the present invention are given to the embodiments described below, the scope of the invention is not limited to the following embodiments and illustrated examples.

〔1〕生体高分子分析チップの全体構成
図1は、本発明を適用した実施形態における生体高分子分析チップ1の概略平面図であり、図2は、図1の切断面II−IIの矢視断面図である。
[1] Overall Configuration of Biopolymer Analysis Chip FIG. 1 is a schematic plan view of a biopolymer analysis chip 1 according to an embodiment to which the present invention is applied, and FIG. 2 is an arrow of a cut surface II-II in FIG. FIG.

この生体高分子分析チップ1は、光電変換素子をマトリクス状に配列してなる固体撮像デバイス3と、固体撮像デバイス3の受光面に載置された光学伝送部としてのセルフォックレンズアレイ33と、セルフォックレンズアレイ33の入射面に成膜された励起光遮蔽膜32と、励起光遮蔽膜32の表面に沿ってマトリクス状に点在したスポット60,60,…と、を具備する。ここで、励起光とは、後述する蛍光物質、燐光材料又は光共鳴散乱物質を励起させる波長域の光であり、蛍光とは、励起光によって励起された蛍光物質、燐光材料又は光共鳴散乱物質が発する波長域の光であり、励起光の波長域は蛍光の波長域と異なる。具体的には、励起光とは紫外線波長域の光であり、蛍光とは可視光波長域の光である。   The biopolymer analysis chip 1 includes a solid-state imaging device 3 in which photoelectric conversion elements are arranged in a matrix, a SELFOC lens array 33 as an optical transmission unit placed on the light-receiving surface of the solid-state imaging device 3, The excitation light shielding film 32 formed on the incident surface of the Selfoc lens array 33, and spots 60, 60,... Scattered in a matrix along the surface of the excitation light shielding film 32 are provided. Here, the excitation light is light in a wavelength region that excites a fluorescent material, phosphorescent material, or optical resonant scattering material, which will be described later, and the fluorescence is a fluorescent material, phosphorescent material, or optical resonant scattering material excited by the excitation light. The wavelength range of the excitation light is different from the wavelength range of the fluorescence. Specifically, the excitation light is light in the ultraviolet wavelength range, and the fluorescence is light in the visible wavelength range.

〔2〕固体撮像デバイス
図1〜図4を用いて固体撮像デバイス3について詳細に説明する。ここで、図2は、固体撮像デバイス3の画素である光電変換素子の電極構造を示した平面図であり、図3は、固体撮像デバイス3の光電変換素子の断面図である。
[2] Solid-State Imaging Device The solid-state imaging device 3 will be described in detail with reference to FIGS. Here, FIG. 2 is a plan view showing an electrode structure of a photoelectric conversion element that is a pixel of the solid-state imaging device 3, and FIG. 3 is a cross-sectional view of the photoelectric conversion element of the solid-state imaging device 3.

この固体撮像デバイス3においては、光電変換素子としてダブルゲート型電界効果トランジスタ(以下、ダブルゲートトランジスタという。)20が利用されている。複数のダブルゲートトランジスタ20,20,…が絶縁性基板17に沿ってマトリクス状に配列されている。   In the solid-state imaging device 3, a double gate type field effect transistor (hereinafter referred to as a double gate transistor) 20 is used as a photoelectric conversion element. A plurality of double gate transistors 20, 20,... Are arranged in a matrix along the insulating substrate 17.

絶縁性基板17は、光を透過する性質(以下、光透過性という。)を有するとともに電気的に絶縁性を有し、石英ガラス等といったガラス基板又はポリカーボネート、PMMA等といったプラスチック基板である。   The insulating substrate 17 has a property of transmitting light (hereinafter referred to as light transmitting property) and is electrically insulating, and is a glass substrate such as quartz glass or a plastic substrate such as polycarbonate or PMMA.

ダブルゲートトランジスタ20,20,…は何れも、受光部である半導体膜23と、ボトムゲート絶縁膜22を挟んで半導体膜23の下に形成されたボトムゲート電極21と、トップゲート絶縁膜29を挟んで半導体膜23の上に形成されたトップゲート電極30と、半導体膜23の一部に重なるよう形成された不純物半導体膜25と、半導体膜23の別の一部に重なるよう形成された不純物半導体膜26と、不純物半導体膜25に重なったソース電極27と、不純物半導体膜25に重なったドレイン電極28と、を備え、半導体膜23において受光した光量に従ったレベルの電気信号に変換するものである。   Each of the double gate transistors 20, 20,... Includes a semiconductor film 23 that is a light receiving portion, a bottom gate electrode 21 formed under the semiconductor film 23 with the bottom gate insulating film 22 interposed therebetween, and a top gate insulating film 29. The top gate electrode 30 formed on the semiconductor film 23 with the sandwich, the impurity semiconductor film 25 formed so as to overlap with part of the semiconductor film 23, and the impurity formed so as to overlap with another part of the semiconductor film 23 A semiconductor film 26, a source electrode 27 overlapping the impurity semiconductor film 25, and a drain electrode 28 overlapping the impurity semiconductor film 25, and converting the electrical signal to a level according to the amount of light received by the semiconductor film 23 It is.

ボトムゲート電極21がダブルゲートトランジスタ20ごとに形成され、複数のボトムゲート電極21が絶縁性基板17上にマトリクス状に配列されている。また、絶縁性基板17上には横方向に延在する複数本のボトムゲートライン41,41,…が形成されており、横方向に配列された同一の行のダブルゲートトランジスタ20,20,…のそれぞれのボトムゲート電極21が共通のボトムゲートライン41と一体となって形成されている。ボトムゲート電極21及びボトムゲートライン41は、導電性及び遮光性を有し、例えばクロム、クロム合金、アルミ若しくはアルミ合金又はこれらの合金からなる。   A bottom gate electrode 21 is formed for each double gate transistor 20, and a plurality of bottom gate electrodes 21 are arranged in a matrix on the insulating substrate 17. Further, a plurality of bottom gate lines 41, 41,... Extending in the horizontal direction are formed on the insulating substrate 17, and the double gate transistors 20, 20,... In the same row arranged in the horizontal direction are formed. These bottom gate electrodes 21 are formed integrally with a common bottom gate line 41. The bottom gate electrode 21 and the bottom gate line 41 have conductivity and light shielding properties, and are made of, for example, chromium, a chromium alloy, aluminum, an aluminum alloy, or an alloy thereof.

ダブルゲートトランジスタ20,20,…のボトムゲート電極21及びボトムゲートライン41,41,…はボトムゲート絶縁膜22によってまとめて被覆されている。すなわち、ボトムゲート絶縁膜22は全てのダブルゲートトランジスタ20,20,…に共通して形成された膜である。ボトムゲート絶縁膜22は絶縁性及び光透過性を有し、例えば窒化シリコン(SiN)又は酸化シリコン(SiO2)からなる。 The bottom gate electrode 21 and the bottom gate lines 41, 41,... Of the double gate transistors 20, 20,. That is, the bottom gate insulating film 22 is a film formed in common to all the double gate transistors 20, 20,. The bottom gate insulating film 22 has insulating properties and light transmissive properties, and is made of, for example, silicon nitride (SiN) or silicon oxide (SiO 2 ).

ボトムゲート絶縁膜22上には、複数の半導体膜23がマトリクス状に配列されている。半導体膜23は、ダブルゲートトランジスタ20ごとに独立して形成されており、それぞれのダブルゲートトランジスタ20においてボトムゲート電極21に対して対向配置され、ボトムゲート電極21との間にボトムゲート絶縁膜22を挟んでいる。半導体膜23は、平面視して略矩形状を呈しており、受光した蛍光の光量に応じた量の電子−正孔対を生成するアモルファスシリコン又はポリシリコンで形成された層である。   On the bottom gate insulating film 22, a plurality of semiconductor films 23 are arranged in a matrix. The semiconductor film 23 is formed independently for each double gate transistor 20, and is disposed opposite to the bottom gate electrode 21 in each double gate transistor 20, and the bottom gate insulating film 22 is interposed between the bottom gate electrode 21. Is sandwiched. The semiconductor film 23 has a substantially rectangular shape in plan view, and is a layer formed of amorphous silicon or polysilicon that generates electron-hole pairs in an amount corresponding to the amount of received fluorescence.

半導体膜23上には、チャネル保護膜24が形成されている。チャネル保護膜24は、ダブルゲートトランジスタ20ごとに独立してパターニングされており、それぞれのダブルゲートトランジスタ20において半導体膜23の中央部上に形成されている。チャネル保護膜24は、絶縁性及び光透過性を有し、例えば窒化シリコン又は酸化シリコンからなる。チャネル保護膜24は、パターニングに用いられるエッチャントから半導体膜23の界面を保護するものである。半導体膜23に光が入射すると、入射した光量に従った量の電子−正孔対がチャネル保護膜24と半導体膜23との界面付近を中心に発生するようになっている。この場合、半導体膜23側にはキャリアとして正孔が発生し、チャネル保護膜24側には電子が発生する。   A channel protective film 24 is formed on the semiconductor film 23. The channel protective film 24 is patterned independently for each double gate transistor 20, and is formed on the central portion of the semiconductor film 23 in each double gate transistor 20. The channel protective film 24 has insulating properties and light transmissive properties, and is made of, for example, silicon nitride or silicon oxide. The channel protective film 24 protects the interface of the semiconductor film 23 from an etchant used for patterning. When light enters the semiconductor film 23, an amount of electron-hole pairs according to the amount of incident light is generated around the interface between the channel protective film 24 and the semiconductor film 23. In this case, holes are generated as carriers on the semiconductor film 23 side, and electrons are generated on the channel protective film 24 side.

半導体膜23の一端部上には、不純物半導体膜25が一部チャネル保護膜24に重なるようにして形成されており、半導体膜23の他端部上には、不純物半導体膜26が一部チャネル保護膜24に重なるようにして形成されている。不純物半導体膜25,26は、ダブルゲートトランジスタ20ごとに独立してパターニングされている。不純物半導体膜25,26は、n型の不純物イオンを含むアモルファスシリコン(n+シリコン)からなる。 An impurity semiconductor film 25 is formed on one end portion of the semiconductor film 23 so as to partially overlap the channel protective film 24, and an impurity semiconductor film 26 is partially channeled on the other end portion of the semiconductor film 23. It is formed so as to overlap the protective film 24. The impurity semiconductor films 25 and 26 are patterned independently for each double gate transistor 20. The impurity semiconductor films 25 and 26 are made of amorphous silicon (n + silicon) containing n-type impurity ions.

不純物半導体膜25上には、ソース電極27が形成され、不純物半導体膜26上には、ドレイン電極28が形成されている。ソース電極27及びドレイン電極28はダブルゲートトランジスタ20ごとに形成されている。縦方向に延在する複数本のソースライン42,42,…及びドレインライン43,43,…がボトムゲート絶縁膜22上に形成されている。縦方向に配列された同一の列のダブルゲートトランジスタ20,20,…のソース電極27は共通のソースライン42と一体に形成されており、縦方向に配列された同一の列のダブルゲートトランジスタ20,20,…のドレイン電極28は共通のドレインライン43と一体に形成されている。ソース電極27、ドレイン電極28、ソースライン42及びドレインライン43は、導電性及び遮光性を有しており、例えばクロム、クロム合金、アルミ若しくはアルミ合金又はこれらの合金からなる。   A source electrode 27 is formed on the impurity semiconductor film 25, and a drain electrode 28 is formed on the impurity semiconductor film 26. The source electrode 27 and the drain electrode 28 are formed for each double gate transistor 20. A plurality of source lines 42, 42,... And drain lines 43, 43,... Extending in the vertical direction are formed on the bottom gate insulating film 22. The source electrodes 27 of the double gate transistors 20, 20,... In the same column arranged in the vertical direction are formed integrally with the common source line 42, and the double gate transistors 20 in the same column arranged in the vertical direction. , 20,... Are formed integrally with a common drain line 43. The source electrode 27, the drain electrode 28, the source line 42, and the drain line 43 have conductivity and light shielding properties, and are made of, for example, chromium, a chromium alloy, aluminum, an aluminum alloy, or an alloy thereof.

ダブルゲートトランジスタ20,20,…のソース電極27及びドレイン電極28並びにソースライン42,42,…及びドレインライン43,43,…は、トップゲート絶縁膜29によってまとめて被覆されている。すなわち、トップゲート絶縁膜29は全てのダブルゲートトランジスタ20,20,…に共通して形成された膜である。トップゲート絶縁膜29は、絶縁性及び光透過性を有し、例えば窒化シリコン又は酸化シリコンからなる。   .. Of the double gate transistors 20, 20,... And the source lines 42, 42... And the drain lines 43, 43,. That is, the top gate insulating film 29 is a film formed in common to all the double gate transistors 20, 20,. The top gate insulating film 29 has insulating properties and light transmissive properties, and is made of, for example, silicon nitride or silicon oxide.

トップゲート絶縁膜29上には、複数のトップゲート電極30マトリクス状に配列されている。トップゲート電極30は、ダブルゲートトランジスタ20ごとに独立して形成されており、それぞれのダブルゲートトランジスタ20において半導体膜23に対して対向配置され、半導体膜23との間にトップゲート絶縁膜29を挟んでいる。また、トップゲート絶縁膜29上には横方向に延在する複数本のトップゲートライン44,44,…が形成されており、横方向に配列された同一の行のダブルゲートトランジスタ20,20,…のトップゲート電極30は共通のトップゲートライン44と一体に形成されている。トップゲート電極30及びトップゲートライン44は、導電性及び光透過性を有し、例えば、酸化インジウム、酸化亜鉛若しくは酸化スズ又はこれらのうちの少なくとも一つを含む混合物(例えば、錫ドープ酸化インジウム(ITO)、亜鉛ドープ酸化インジウム)で形成されている。   A plurality of top gate electrodes 30 are arranged in a matrix on the top gate insulating film 29. The top gate electrode 30 is formed independently for each double gate transistor 20. The top gate electrode 30 is disposed opposite to the semiconductor film 23 in each double gate transistor 20, and the top gate insulating film 29 is interposed between the semiconductor film 23. It is sandwiched. Further, a plurality of top gate lines 44, 44,... Extending in the horizontal direction are formed on the top gate insulating film 29, and the double gate transistors 20, 20,. The top gate electrode 30 is formed integrally with a common top gate line 44. The top gate electrode 30 and the top gate line 44 are conductive and light transmissive, for example, indium oxide, zinc oxide, tin oxide, or a mixture containing at least one of them (for example, tin-doped indium oxide ( ITO) and zinc-doped indium oxide).

ダブルゲートトランジスタ20,20,…のトップゲート電極30及びトップゲートライン44,44,…は保護絶縁膜31によってまとめて被覆され、保護絶縁膜31は全てのダブルゲートトランジスタ20,20,…に共通して形成された膜である。保護絶縁膜31は、絶縁性及び光透過性を有し、窒化シリコン又は酸化シリコンからなる。   The top gate electrode 30 and the top gate lines 44, 44,... Of the double gate transistors 20, 20,... Are collectively covered with a protective insulating film 31, and the protective insulating film 31 is common to all the double gate transistors 20, 20,. It is the film | membrane formed in this way. The protective insulating film 31 has insulating properties and light transmissive properties, and is made of silicon nitride or silicon oxide.

以上のように構成された固体撮像デバイス3は、保護絶縁膜31の表面を受光面としており、それぞれのダブルゲートトランジスタ20の半導体膜23に入射した光量を電気信号のレベルに変換するように設けられている。   The solid-state imaging device 3 configured as described above has the surface of the protective insulating film 31 as a light receiving surface, and is provided so as to convert the amount of light incident on the semiconductor film 23 of each double gate transistor 20 into the level of an electric signal. It has been.

〔3〕セルフォックレンズアレイ
セルフォックレンズアレイ33は、円柱状の複数のセルフォックレンズ34の中心軸を互いに平行とするようこれらセルフォックレンズ34を配列した光学系であって、複数のセルフォックレンズ34全体で一つの連続した像を形成する光学系である。セルフォックレンズ34の屈折率は、セルフォックレンズ34の中心軸からセルフォックレンズ34の円柱面にかけて半径方向に沿って連続的に変化している。
[3] Selfoc Lens Array The Selfoc lens array 33 is an optical system in which the Selfoc lenses 34 are arranged so that the central axes of the plurality of cylindrical Selfoc lenses 34 are parallel to each other. This is an optical system that forms one continuous image with the entire lens 34. The refractive index of the Selfoc lens 34 continuously changes along the radial direction from the central axis of the Selfoc lens 34 to the cylindrical surface of the Selfoc lens 34.

セルフォックレンズアレイ33は、出射面(セルフォックレンズ34の円形下面の集合)を固体撮像デバイス3の受光面に対向させ且つ当接させるよう固体撮像デバイス3の受光面に載置されている。このように載置されたセルフォックレンズアレイ33においては、セルフォックレンズ34の中心軸が固体撮像デバイス3の受光面に対して垂直になっている。セルフォックレンズアレイ33は、固体撮像デバイス3の受光面に対して接離可能である。   The Selfoc lens array 33 is placed on the light receiving surface of the solid-state imaging device 3 such that the emission surface (a set of circular lower surfaces of the Selfoc lens 34) faces and contacts the light receiving surface of the solid-state imaging device 3. In the Selfoc lens array 33 placed in this way, the center axis of the Selfoc lens 34 is perpendicular to the light receiving surface of the solid-state imaging device 3. The Selfoc lens array 33 can be brought into contact with and separated from the light receiving surface of the solid-state imaging device 3.

〔4〕励起光遮蔽膜
セルフォックレンズアレイ33の入射面(セルフォックレンズ34の円形上面の集合)には、励起光を遮蔽するとともに蛍光を透過する励起光遮蔽膜32が成膜されている。励起光遮蔽膜32は例えばTiO2からなる。
[4] Excitation light shielding film An excitation light shielding film 32 that shields excitation light and transmits fluorescence is formed on the incident surface of the Selfoc lens array 33 (a set of circular upper surfaces of the Selfoc lens 34). . The excitation light shielding film 32 is made of, for example, TiO 2 .

〔5〕スポット
図1、図2、図4に示すように、複数種のスポット60,60,…が励起光遮蔽膜32に直接点着され、励起光遮蔽膜32を介してセルフォックレンズアレイ33の受光面に沿って点在している。これらスポット60,60,…は互いに離間してマトリクス状に配列されている。スポット60は一本鎖プローブDNA61が多数集まった群集であり、1つのスポット60に含まれる多数の一本鎖プローブDNA61は同じ塩基配列(ヌクレオチド配列)を有する。また、スポット60ごとに一本鎖プローブDNA61の塩基配列が異なる配列となっている。何れのスポット60も、塩基配列が既知のものである。
[5] Spots As shown in FIGS. 1, 2, and 4, a plurality of types of spots 60, 60,... Are directly spotted on the excitation light shielding film 32, and the SELFOC lens array is interposed via the excitation light shielding film 32. 33 are scattered along the light receiving surface. These spots 60, 60,... Are spaced apart from each other and arranged in a matrix. The spot 60 is a cluster in which a large number of single-stranded probe DNAs 61 are gathered, and the multiple single-stranded probe DNAs 61 included in one spot 60 have the same base sequence (nucleotide sequence). Further, the base sequence of the single-stranded probe DNA 61 is different for each spot 60. Each spot 60 has a known base sequence.

図1に示すように、1つのスポット60につき1つのダブルゲートトランジスタ20が重なるように、スポット60,60,…が配列されている。なお、1つのスポット60につき隣り合う幾つかのダブルゲートトランジスタ20,20,…が重なっても良いが、この場合には何れのスポット60でも重なったダブルゲートトランジスタ20の数が同じである。   As shown in FIG. 1, spots 60, 60,... Are arranged so that one double gate transistor 20 overlaps one spot 60. It should be noted that several adjacent double gate transistors 20, 20,... Per spot 60 may overlap, but in this case, the number of double gate transistors 20 overlapped at any spot 60 is the same.

〔6〕DNA分析方法及び分析支援装置
次に、生体高分子分析チップ1を用いてDNAの塩基配列を分析する方法について説明する。
[6] DNA Analysis Method and Analysis Support Device Next, a method for analyzing a DNA base sequence using the biopolymer analysis chip 1 will be described.

図5,6に示された分析支援装置70に生体高分子分析チップ1をセッティングして生体高分子分析チップ1を用いるので、まず分析支援装置70について説明する。図5は、分析支援装置70の構成を示したブロック図であり、図6は、分析支援装置70に生体高分子分析チップ1をセッティングした場合の側面図である。図6において、生体高分子分析チップ1は破断して示されている。   Since the biopolymer analysis chip 1 is set in the analysis support apparatus 70 shown in FIGS. 5 and 6 and the biopolymer analysis chip 1 is used, the analysis support apparatus 70 will be described first. FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of the analysis support apparatus 70, and FIG. 6 is a side view when the biopolymer analysis chip 1 is set in the analysis support apparatus 70. In FIG. 6, the biopolymer analysis chip 1 is shown broken.

分析支援装置70は、生体高分子分析チップ1がセッティングされる分析台71と、固体撮像デバイス3の受光面の上から受光面に向けて励起光を照射する励起光照射装置72と、固体撮像デバイス3を駆動するトップゲートドライバ74、ボトムゲートドライバ75及びドレインドライバ76と、励起光照射装置72、トップゲートドライバ74、ボトムゲートドライバ75及びドレインドライバ76を制御するコントローラ73と、コントローラ73から出力された信号により出力(表示又はプリント)を行う出力装置77と、を備えて構成されている。   The analysis support device 70 includes an analysis table 71 on which the biopolymer analysis chip 1 is set, an excitation light irradiation device 72 that emits excitation light from the light receiving surface of the solid-state imaging device 3 toward the light receiving surface, and solid-state imaging. A top gate driver 74, a bottom gate driver 75 and a drain driver 76 for driving the device 3, a controller 73 for controlling the excitation light irradiation device 72, the top gate driver 74, the bottom gate driver 75 and the drain driver 76, and an output from the controller 73 And an output device 77 that outputs (displays or prints) the received signal.

生体高分子分析チップ1は分析台71に対して着脱可能である。生体高分子分析チップ1が分析台71にセッティングされた場合には、固体撮像デバイス3のトップゲートライン44,44,…がトップゲートドライバ74の端子にそれぞれ接続される。同様に、固体撮像デバイス3のボトムゲートライン41,41,…がボトムゲートドライバ75の端子にそれぞれ接続され、固体撮像デバイス3のドレインライン43,43,…がドレインドライバ76の端子にそれぞれ接続される。また、生体高分子分析チップ1が分析台71にセッティングされた場合、固体撮像デバイス3のソースライン42,42,…が一定電圧源に接続され、この例ではソースライン42,42,…が接地されるようになっている。   The biopolymer analysis chip 1 can be attached to and detached from the analysis table 71. When the biopolymer analysis chip 1 is set on the analysis table 71, the top gate lines 44, 44,... Of the solid-state imaging device 3 are connected to the terminals of the top gate driver 74, respectively. Similarly, the bottom gate lines 41, 41,... Of the solid-state imaging device 3 are connected to the terminals of the bottom gate driver 75, respectively, and the drain lines 43, 43,. The When the biopolymer analysis chip 1 is set on the analysis table 71, the source lines 42, 42,... Of the solid-state imaging device 3 are connected to a constant voltage source, and in this example, the source lines 42, 42,. It has come to be.

励起光照射装置72は分析台71との間に所定間隔をあけて分析台71に対向している。分析台71に生体高分子分析チップ1が搭載された場合に、励起光照射装置72が励起光を面状に生体高分子分析チップ1に照射する。励起光照射装置72から出射する励起光は、後述する蛍光物質、燐光材料又は光共鳴散乱物質を励起させる波長域の光である。なお、励起光照射装置72は、出射する励起光の波長域を可変可能であっても良い。   The excitation light irradiation device 72 is opposed to the analysis table 71 with a predetermined interval between the excitation table 72 and the analysis table 71. When the biopolymer analysis chip 1 is mounted on the analysis table 71, the excitation light irradiation device 72 irradiates the biopolymer analysis chip 1 with excitation light in a planar shape. The excitation light emitted from the excitation light irradiation device 72 is light in a wavelength region that excites a fluorescent material, phosphorescent material, or optical resonance scattering material described later. Note that the excitation light irradiation device 72 may be capable of changing the wavelength range of the emitted excitation light.

出力装置77はプロッタ、プリンタ又はディスプレイである。   The output device 77 is a plotter, a printer, or a display.

トップゲートドライバ74、ボトムゲートドライバ75及びドレインドライバ76は、協同して固体撮像デバイス3を駆動するものである。トップゲートドライバ74は、シフトレジスタである。つまり、図7に示すように、トップゲートドライバ74はトップゲートライン44,44,…にリセットパルスを順次出力する。リセットパルスのレベルは+5〔V〕のハイレベルである。一方、トップゲートドライバ74は、リセットパルスを出力しない時にローレベルの−20〔V〕の電位をそれぞれのトップゲートライン44に印加する。   The top gate driver 74, the bottom gate driver 75, and the drain driver 76 cooperate to drive the solid-state imaging device 3. The top gate driver 74 is a shift register. That is, as shown in FIG. 7, the top gate driver 74 sequentially outputs reset pulses to the top gate lines 44, 44,. The level of the reset pulse is a high level of +5 [V]. On the other hand, the top gate driver 74 applies a low level potential of −20 [V] to each top gate line 44 when no reset pulse is output.

ボトムゲートドライバ75は、シフトレジスタである。つまり、図7に示すように、ボトムゲートライン41,41,…にリードパルスを順次出力する。リードパルスのレベルは+10〔V〕のハイレベルであり、リードパルスが出力されていない時のレベルは±0〔V〕のローレベルである。   The bottom gate driver 75 is a shift register. That is, as shown in FIG. 7, the read pulses are sequentially output to the bottom gate lines 41, 41,. The level of the read pulse is a high level of +10 [V], and the level when the read pulse is not output is a low level of ± 0 [V].

トップゲートドライバ74が何れかの行のトップゲートライン44にリセットパルスを出力した後にキャリア蓄積期間を経てボトムゲートドライバ75が同じ行のボトムゲートライン41にリードパルスを出力するように、トップゲートドライバ74及びボトムゲートドライバ75が出力信号をシフトする。つまり、各行では、リードパルスが出力されるタイミングは、リセットパルスが出力されるタイミングより遅れている。また、何れかの行のトップゲートライン44へのリセットパルスの入力が開始してから、同じ行のボトムゲートライン41へのリードパルスの入力が終了するまでの期間は、その行の選択期間である。リセットパルスのレベルは+5〔V〕のハイレベルであり、リセットパルスが出力されていない時のレベルは−20〔V〕のローレベルである。   The top gate driver 74 outputs a read pulse to the bottom gate line 41 of the same row after the carrier accumulation period after the top gate driver 74 outputs the reset pulse to the top gate line 44 of any row. 74 and bottom gate driver 75 shift the output signal. That is, in each row, the timing at which the read pulse is output is delayed from the timing at which the reset pulse is output. The period from the start of reset pulse input to the top gate line 44 of any row to the end of read pulse input to the bottom gate line 41 of the same row is the selection period of that row. is there. The level of the reset pulse is a high level of +5 [V], and the level when the reset pulse is not output is a low level of −20 [V].

図7に示すように、ドレインドライバ76は、それぞれの行の選択期間において、リセットパルスが出力されてからリードパルスが出力されるまでの間に、全てのドレインライン43,43,…にプリチャージパルスを出力する。プリチャージパルスのレベルは+10〔V〕のハイレベルであり、プリチャージパルスが出力されていない時のレベルは±0〔V〕のローレベルである。また、ドレインドライバ76は、プリチャージパルスの出力後にドレインライン43,43,…の電圧を増幅してコントローラ73に出力する。   As shown in FIG. 7, the drain driver 76 precharges all the drain lines 43, 43,... Between the reset pulse output and the read pulse output in the selection period of each row. Output a pulse. The level of the precharge pulse is a high level of +10 [V], and the level when the precharge pulse is not output is a low level of ± 0 [V]. In addition, the drain driver 76 amplifies the voltages of the drain lines 43, 43,...

コントローラ73は励起光照射装置72を点灯させる機能を有する。また、コントローラ73は、トップゲートドライバ74、ボトムゲートドライバ75及びドレインドライバ76に制御信号を出力することによって、トップゲートドライバ74、ボトムゲートドライバ75及びドレインドライバ76に固体撮像デバイス3の駆動動作を行わせる機能を有する。また、コントローラ73はドレインドライバ76から入力した電気信号をA/D変換することで、固体撮像デバイス3の受光面に沿った蛍光強度分布を二次元の画像データとして取得する機能を有する。また、コントローラ73は入力した二次元の画像データ画像データに従った画像を出力装置77に出力させる機能を有する。   The controller 73 has a function of turning on the excitation light irradiation device 72. Further, the controller 73 outputs a control signal to the top gate driver 74, the bottom gate driver 75 and the drain driver 76, thereby driving the solid-state imaging device 3 to the top gate driver 74, the bottom gate driver 75 and the drain driver 76. Has the function to perform. In addition, the controller 73 has a function of acquiring the fluorescence intensity distribution along the light receiving surface of the solid-state imaging device 3 as two-dimensional image data by A / D converting the electric signal input from the drain driver 76. The controller 73 has a function of causing the output device 77 to output an image according to the input two-dimensional image data.

生体高分子分析チップ1及び分析支援装置70の動作並びにDNAの分析方法(同定方法)について説明する。   The operation of the biopolymer analysis chip 1 and the analysis support device 70 and the DNA analysis method (identification method) will be described.

まず、作業者が検体からDNAを採取して、採取した二本鎖DNAを一本鎖DNAに変性してから場合によってPCR増幅を行い、得られた一本鎖DNAに蛍光物質、燐光材料又は光共鳴散乱物質を結合させ、一本鎖DNAを蛍光物質、燐光材料又は光共鳴散乱物質で標識する。蛍光物質、燐光材料又は光共鳴散乱物質は、分析支援装置70の励起光照射装置72から出射される励起光で励起されるものを選択するが、蛍光物質としては、例えばCyDyeのCy2(アマシャム社製)がある。得られた一本鎖DNAは、溶液中に含まれている。以下では、この一本鎖DNAをサンプルDNAという。   First, an operator collects DNA from a specimen, denatures the collected double-stranded DNA into single-stranded DNA, and optionally performs PCR amplification. The obtained single-stranded DNA is subjected to fluorescent material, phosphorescent material or The optical resonance scattering material is bound, and the single-stranded DNA is labeled with a fluorescent material, a phosphorescent material, or an optical resonance scattering material. The fluorescent material, phosphorescent material, or optical resonance scattering material is selected from those excited by the excitation light emitted from the excitation light irradiation device 72 of the analysis support device 70. As the fluorescent material, for example, CyDye Cy2 (Amersham) Made). The obtained single-stranded DNA is contained in the solution. Hereinafter, this single-stranded DNA is referred to as sample DNA.

次いで、作業者が、サンプルDNAを含有した溶液を生体高分子分析チップ1の表面(励起光遮蔽膜32の表面)に塗布する。ここで、生体高分子分析チップ1にサンプルDNAを分布させるために、サンプルDNAを電気泳動させても良い。なお、サンプルDNAを含有した溶液をスポット60,60,…に順次又は同時に滴下しても良い。このとき、一本鎖が二本鎖とならないようにサンプルDNAを含有した溶液を加熱する。   Next, the operator applies a solution containing the sample DNA to the surface of the biopolymer analysis chip 1 (the surface of the excitation light shielding film 32). Here, in order to distribute the sample DNA to the biopolymer analysis chip 1, the sample DNA may be electrophoresed. A solution containing the sample DNA may be dropped on the spots 60, 60,... Sequentially or simultaneously. At this time, the solution containing the sample DNA is heated so that the single strand does not become a double strand.

その後、サンプルDNAのハイブリダイゼーションを引き起こすために、生体高分子分析チップ1を所定の温度に冷却する。これにより、スポット60,60,…のなかにサンプルDNAと相補的なものがあれば、サンプルDNAが相補的なスポット60のプローブDNA61とハイブリダイゼーションにより結合する。一方、スポット60,60,…のなかにサンプルDNAと相補的なものがなければ、サンプルDNAはどのスポット60,60,…にも結合しない。   Thereafter, the biopolymer analysis chip 1 is cooled to a predetermined temperature in order to cause hybridization of the sample DNA. Thus, if any of the spots 60, 60,... Is complementary to the sample DNA, the sample DNA is bound to the probe DNA 61 of the complementary spot 60 by hybridization. On the other hand, if none of the spots 60, 60,... Is complementary to the sample DNA, the sample DNA will not bind to any of the spots 60, 60,.

その後、生体高分子分析チップ1の表面に塗布したサンプルDNAのうちハイブリダイゼーションしなかったものは洗い流す際に除去され、ハイブリダイゼーションしたものは、固体撮像デバイス3上に残存する。   Thereafter, the sample DNA applied to the surface of the biopolymer analysis chip 1 that has not been hybridized is removed when washed away, and the hybridized DNA remains on the solid-state imaging device 3.

次いで、作業者が生体高分子分析チップ1を分析台71にセッティングし、励起光照射装置72に生体高分子分析チップ1を対向させ、トップゲートドライバ74、ボトムゲートドライバ75及びドレインドライバ76に生体高分子分析チップ1を接続する。   Next, the operator sets the biopolymer analysis chip 1 on the analysis table 71, the biopolymer analysis chip 1 is made to face the excitation light irradiation device 72, and the top gate driver 74, the bottom gate driver 75 and the drain driver 76 are placed on the living body. The polymer analysis chip 1 is connected.

その後、コントローラ73を起動すると、コントローラ73が励起光照射装置72を制御して励起光照射装置72を点灯させると、励起光照射装置72から生体高分子分析チップ1の表面に向けて励起光が出射する。   Thereafter, when the controller 73 is activated, when the controller 73 controls the excitation light irradiation device 72 to turn on the excitation light irradiation device 72, excitation light is emitted from the excitation light irradiation device 72 toward the surface of the biopolymer analysis chip 1. Exit.

サンプルDNAが標識されているので、スポット60,60,…のうちサンプルDNAとハイブリダイゼーションしたスポット60からは蛍光が発し、サンプルDNAと結合しなかったスポット60からは蛍光が発しない。スポット60,60,…がセルフォックレンズアレイ33の入射面上において点在し、これらのうち蛍光を発するスポット60と蛍光を発しないスポット60が存在するから、セルフォックレンズアレイ33の入射面には蛍光強度の分布が現れる。この蛍光強度の分布が像としてセルフォックレンズアレイ33によって出射面に伝送され、固体撮像デバイス3の受光面に結像される。なお、サンプルDNAに燐光材料を結合させた場合、励起光照射装置72が消灯しても、サンプルDNAとハイブリダイゼーションしたスポット60からは蛍光の残光(燐光)が発し続ける。   Since the sample DNA is labeled, fluorescence is emitted from the spot 60 hybridized with the sample DNA among the spots 60, 60,..., And no fluorescence is emitted from the spot 60 that is not bound to the sample DNA. Spots 60, 60,... Are scattered on the entrance surface of the Selfoc lens array 33, and among them, there are spots 60 that emit fluorescence and spots 60 that do not emit fluorescence. Shows the distribution of fluorescence intensity. This fluorescence intensity distribution is transmitted as an image to the emission surface by the SELFOC lens array 33 and formed on the light receiving surface of the solid-state imaging device 3. When a phosphorescent material is bound to the sample DNA, fluorescent afterglow (phosphorescence) continues to be emitted from the spot 60 hybridized with the sample DNA even when the excitation light irradiation device 72 is turned off.

その後、蛍光物質又は光共鳴散乱物質をサンプルDNAに結合した場合には励起光照射装置72が点灯した状態で、燐光材料をサンプルDNAに結合した場合には励起光照射装置72が点灯後に消灯した状態で、コントローラ73がトップゲートドライバ74、ボトムゲートドライバ75及びドレインドライバ76を制御することにより、固体撮像デバイス3に撮像動作を行わせる。これにより、固体撮像デバイス3がダブルゲートトランジスタ20,20,…のそれぞれで光強度又は光量を検知し、受光面に沿った蛍光強度分布を二次元の画像データとして取得する。コントローラ73は、固体撮像デバイス3で取得された画像データを入力し、その画像を出力装置77に出力する。そして、コントローラの処理が終了する。   Thereafter, when the fluorescent substance or the optical resonance scattering substance is bonded to the sample DNA, the excitation light irradiation device 72 is turned on. When the phosphorescent material is bonded to the sample DNA, the excitation light irradiation device 72 is turned off after being turned on. In this state, the controller 73 controls the top gate driver 74, the bottom gate driver 75, and the drain driver 76 to cause the solid-state imaging device 3 to perform an imaging operation. As a result, the solid-state imaging device 3 detects the light intensity or the amount of light with each of the double gate transistors 20, 20,..., And acquires the fluorescence intensity distribution along the light receiving surface as two-dimensional image data. The controller 73 inputs image data acquired by the solid-state imaging device 3 and outputs the image to the output device 77. Then, the controller process ends.

作業者は、出力装置77により出力された画像データからハイブリダイゼーションの有無を確認し、ハイブリダイゼーションが起きていればサンプルDNAの塩基配列を特定する。即ち、サンプルDNAの塩基配列は、画像の中でハイブリダイゼーションによって蛍光を発した画素に重なったスポット60と相補的な配列であるので、出力された画像データ中のどの部分が蛍光を発したかによってサンプルDNAの塩基配列を特定することができる。   The operator confirms the presence / absence of hybridization from the image data output by the output device 77, and specifies the base sequence of the sample DNA if hybridization has occurred. That is, since the base sequence of the sample DNA is a sequence complementary to the spot 60 that overlaps the pixel that emitted fluorescence by hybridization in the image, which part of the output image data emitted fluorescence. Thus, the base sequence of the sample DNA can be specified.

ここで、トップゲートドライバ74、ボトムゲートドライバ75及びドレインドライバ76による固体撮像デバイス3の動作について説明する。
トップゲートドライバ74が1行目のトップゲートライン44から最終行目のトップゲートライン44へと順次リセットパルスを出力し、ボトムゲートドライバ75がボトムゲートライン41,41,41,…に順次リードパルスを出力する。その際、ドレインドライバ76が各行でリセットパルスが出力されているリセット期間と各行でリードパルスが出力されている期間との間に、プリチャージパルスを全てのドレインライン43,43,…に出力する。
Here, the operation of the solid-state imaging device 3 by the top gate driver 74, the bottom gate driver 75, and the drain driver 76 will be described.
The top gate driver 74 sequentially outputs reset pulses from the top gate line 44 of the first row to the top gate line 44 of the last row, and the bottom gate driver 75 sequentially reads the read pulses to the bottom gate lines 41, 41, 41,. Is output. At that time, the drain driver 76 outputs a precharge pulse to all the drain lines 43, 43,... Between the reset period in which the reset pulse is output in each row and the period in which the read pulse is output in each row. .

1行目から最終行目までのうちの任意のi行目の各ダブルゲートトランジスタ20の動作について詳細に説明する。図7に示すように、トップゲートドライバ74がi行目のトップゲートライン44にリセットパルスを出力すると、i行目のトップゲートライン44がハイレベルになる。i行目のトップゲートライン44がハイレベルになっている間(この期間をリセット期間という。)、i行目の各ダブルゲートトランジスタ20では、半導体膜23内や半導体膜23とチャネル保護膜24との界面近傍に蓄積されたキャリア(ここでは、正孔である。)が、トップゲート電極30の電圧により反発して吐出される。   The operation of each double gate transistor 20 in an arbitrary i-th row from the first row to the last row will be described in detail. As shown in FIG. 7, when the top gate driver 74 outputs a reset pulse to the i-th top gate line 44, the i-th top gate line 44 goes to a high level. While the i-th top gate line 44 is at a high level (this period is referred to as a reset period), in each double-gate transistor 20 in the i-th row, the semiconductor film 23 and the channel protective film 24 The carriers (here, holes) accumulated near the interface with the surface are repelled and discharged by the voltage of the top gate electrode 30.

次に、トップゲートドライバ74がi行目のトップゲートライン44にリセットパルスを出力することを終了する。i行目のトップゲートライン44のリセットパルスが終了してから、i行目のボトムゲートライン41にリードパルスが出力されるまでの間(この期間をキャリア蓄積期間という。)、光量に従った量の電子−正孔対が半導体膜23内で生成されるが、そのうちの正孔がトップゲート電極30の電界により半導体膜23内や半導体膜23とチャネル保護膜24との界面近傍に蓄積される。   Next, the top gate driver 74 finishes outputting the reset pulse to the i-th top gate line 44. The amount of light depends on the amount of light during the period from when the reset pulse of the top gate line 44 in the i-th row ends to when the read pulse is output to the bottom gate line 41 in the i-th row (this period is referred to as a carrier accumulation period). An amount of electron-hole pairs is generated in the semiconductor film 23, and the holes are accumulated in the semiconductor film 23 or in the vicinity of the interface between the semiconductor film 23 and the channel protective film 24 by the electric field of the top gate electrode 30. The

次に、キャリア蓄積期間中に、ドレインドライバ76が全てのドレインライン43,43,…にプリチャージパルスを出力する。プリチャージパルスが出力されている間(プリチャージ期間という。)では、i行目の各ダブルゲートトランジスタ20においては、トップゲート電極30に印加されている電位が−20〔V〕であり、ボトムゲート電極21に印加されている電位が±0〔V〕であるため、たとえ半導体膜23内や半導体膜23とチャネル保護膜24との界面近傍に蓄積された正孔の電荷だけではゲート−ソース間電位が低いので半導体膜23にはチャネルが形成されず、ドレイン電極28とソース電極27との間に電流は流れない。プリチャージ期間において、ドレイン電極28とソース電極27との間に電流が流れないため、ドレインライン43,43,…に出力されたプリチャージパルスによってi行目の各ダブルゲートトランジスタ20のドレイン電極28に電荷がチャージされる。   Next, during the carrier accumulation period, the drain driver 76 outputs a precharge pulse to all the drain lines 43, 43,. While the precharge pulse is output (referred to as a precharge period), in each double gate transistor 20 in the i-th row, the potential applied to the top gate electrode 30 is −20 [V], and the bottom Since the potential applied to the gate electrode 21 is ± 0 [V], even if only the charge of holes accumulated in the semiconductor film 23 or in the vicinity of the interface between the semiconductor film 23 and the channel protective film 24 is gate-source. Since the interpotential is low, no channel is formed in the semiconductor film 23, and no current flows between the drain electrode 28 and the source electrode 27. Since no current flows between the drain electrode 28 and the source electrode 27 during the precharge period, the drain electrode 28 of each double gate transistor 20 in the i-th row is output by the precharge pulse output to the drain lines 43, 43,. Is charged.

次に、ドレインドライバ76がプリチャージパルスの出力を終了するとともに、ボトムゲートドライバ75がi行目のボトムゲートライン41にリードパルスを出力する。ボトムゲートドライバ75がi行目のボトムゲートライン41にリードパルスを出力している間(この期間を、リード期間という。)では、i行目の各ダブルゲートトランジスタ20のボトムゲート電極21に+10〔V〕の電位が印加されているため、i行目の各ダブルゲートトランジスタ20がオン状態になる。   Next, the drain driver 76 finishes outputting the precharge pulse, and the bottom gate driver 75 outputs a read pulse to the i-th bottom gate line 41. While the bottom gate driver 75 outputs a read pulse to the i-th bottom gate line 41 (this period is referred to as a read period), +10 is applied to the bottom gate electrode 21 of each i-th double gate transistor 20. Since the potential of [V] is applied, each double gate transistor 20 in the i-th row is turned on.

リード期間においては、キャリア蓄積期間において蓄積されたキャリアがトップゲート電極30の負電界を緩和するように働くため、ボトムゲート電極21の正電界により半導体膜23にnチャネルが形成されて、ドレイン電極28からソース電極27に電流が流れるようになる。従って、リード期間では、ドレインライン43,43,…の電圧は、ドレイン−ソース間電流によって時間の経過とともに徐々に低下する傾向を示す。   In the read period, the carriers accumulated in the carrier accumulation period work so as to alleviate the negative electric field of the top gate electrode 30, so that an n channel is formed in the semiconductor film 23 by the positive electric field of the bottom gate electrode 21, and the drain electrode Current flows from 28 to the source electrode 27. Therefore, in the read period, the voltages of the drain lines 43, 43,... Tend to gradually decrease with time due to the drain-source current.

ここで、キャリア蓄積期間において半導体膜23に入射した光量が多くなるにつれて、蓄積されるキャリアも多くなり、蓄積されるキャリアが多くなるにつれて、リード期間においてドレイン電極28からソース電極27に流れる電流のレベルも大きくなる。従って、リード期間におけるドレインライン43,43,…の電圧の変化傾向は、キャリア蓄積期間で半導体膜23に入射した光量に深く関連する。そして、i行目のリード期間から次のi+1行目(但し、i行目が最終行目の場合には、i+1行目は1行目である。)のプリチャージ期間までの間に、ドレインドライバ76を介して、リード期間が開始してから所定の時間経過後のドレインライン43,43,…の電圧を検出してA/D変換する。これにより、光の強度に換算される。なお、i行目のリード期間から次の(i+1)行目のプリチャージ期間までの間に、ドレインドライバ76を介して、所定の閾値電圧に至るまでの時間を検出しても良い。この場合でも、光の強度に換算される。また、図7では、トップゲートドライバ74の(i+1)行目のリセットパルスの立ち上がり時期は、ボトムゲートドライバ75のi行目のリードパルスが立ち下がってからであるが、これに限らず、トップゲートドライバ74の(i+1)行目のリセットパルスの立ち上がり時期は、トップゲートドライバ74のi行目のリセットパルスの立ち下がり直後からボトムゲートドライバ75のi行目のリードパルスの立ち下がりまでの間であってもよい。ただし、(i+1)行目のダブルゲートトランジスタ20のためにドレインライン43,43,…に出力されたプリチャージパルスの出力は、ボトムゲートドライバ75のi行目のリードパルスの立ち下がり以降になるように設定されている。   Here, as the amount of light incident on the semiconductor film 23 in the carrier accumulation period increases, the number of accumulated carriers also increases. As the number of accumulated carriers increases, the current flowing from the drain electrode 28 to the source electrode 27 in the read period is increased. The level also increases. Therefore, the voltage change tendency of the drain lines 43, 43,... During the read period is deeply related to the amount of light incident on the semiconductor film 23 during the carrier accumulation period. Then, during the period from the read period of the i-th row to the precharge period of the next i + 1-th row (however, if the i-th row is the last row, the i + 1-th row is the first row) Via the driver 76, the voltage of the drain lines 43, 43,... After a predetermined time has elapsed since the start of the read period is detected and A / D converted. Thereby, it converts into the intensity | strength of light. Note that the time required to reach a predetermined threshold voltage may be detected via the drain driver 76 between the i-th read period and the next (i + 1) -th precharge period. Even in this case, the light intensity is converted. In FIG. 7, the rising timing of the reset pulse of the (i + 1) -th row of the top gate driver 74 is after the read pulse of the i-th row of the bottom gate driver 75 falls. The rising timing of the reset pulse of the (i + 1) -th row of the gate driver 74 is from immediately after the falling edge of the reset pulse of the i-th row of the top gate driver 74 to the falling edge of the read pulse of the i-th row of the bottom gate driver 75. It may be. However, the output of the precharge pulse output to the drain lines 43, 43,... For the double gate transistor 20 in the (i + 1) -th row is after the falling edge of the read pulse in the i-th row of the bottom gate driver 75. Is set to

上述した一連の画像読み取り動作を1サイクルとして、全ての行の各ダブルゲートトランジスタ20にも同等の処理手順を繰り返すことにより、生体高分子分析チップ1上の光の強度分布が画像として取得される。そして、蛍光強度分布を表した画像は、コントローラに入力される。   The above-described series of image reading operations is set as one cycle, and the same processing procedure is repeated for each double gate transistor 20 in all rows, whereby the light intensity distribution on the biopolymer analysis chip 1 is acquired as an image. . Then, an image representing the fluorescence intensity distribution is input to the controller.

以上のように、本実施形態によれば、固体撮像デバイス3に載置されたセルフォックレンズアレイ33上にスポット60,60,…が点在しているから、走査を行わずとも固体撮像デバイス3で撮像を行うだけで二次元の画像が得られる。更に、分析支援装置70にレンズを設けなくとも、固体撮像デバイス3で鮮明な像を得ることができるので、分析支援装置70の小型化を図ることができる。更に、セルフォックレンズアレイ33上にスポット60,60,…が点在しているため、スポット60から発した光が殆ど減衰せずに固体撮像デバイス3の受光面に入射する。そのため、固体撮像デバイス3の感度が高くなくても済む。   As described above, according to the present embodiment, since the spots 60, 60,... Are scattered on the Selfoc lens array 33 placed on the solid-state imaging device 3, the solid-state imaging device is not scanned. A two-dimensional image can be obtained simply by taking an image at 3. Furthermore, since the clear image can be obtained with the solid-state imaging device 3 without providing a lens in the analysis support apparatus 70, the analysis support apparatus 70 can be downsized. Further, since the spots 60, 60,... Are scattered on the SELFOC lens array 33, the light emitted from the spot 60 is incident on the light receiving surface of the solid-state imaging device 3 without being attenuated. Therefore, the sensitivity of the solid-state imaging device 3 does not have to be high.

また、固体撮像デバイス3にセルフォックレンズアレイ33が載置されているから、生体高分子分析チップ1の使用後にセルフォックレンズアレイ33を外せば、固体撮像デバイス3を再利用することができる。   Further, since the Selfoc lens array 33 is mounted on the solid-state imaging device 3, the solid-state imaging device 3 can be reused by removing the Selfoc lens array 33 after using the biopolymer analysis chip 1.

〔変形例1〕
上記生体高分子分析チップ1では、光電変換素子としてダブルゲートトランジスタ20,20,…を画素として用いた固体撮像デバイス3を用いているが、別の種類の光電変換素子を画素として用いた固体撮像デバイスを生体高分子分析チップに用いても良い。例えば、フォトダイオードを画素として用いたCCDイメージセンサ、CMOSイメージセンサ等といった固体撮像デバイスを用いても良い。CCDイメージセンサにおいては、フォトダイオードが基板上にマトリクス状となって配列されており、それぞれのフォトダイオードの周囲には、フォトダイオードで光電変換された電気信号を転送するための垂直CCD、水平CCDが形成されている。CMOSイメージセンサにおいては、フォトダイオードが基板上にマトリクス状となって配列されており、それぞれのフォトダイオードの周囲にはフォトダイオードで光電変換された電気信号を増幅するためのCMOS回路が設けられている。
[Modification 1]
In the biopolymer analysis chip 1, the solid-state imaging device 3 using the double gate transistors 20, 20,... As the pixels is used as the photoelectric conversion element, but the solid-state imaging using another type of photoelectric conversion element as the pixel. The device may be used for a biopolymer analysis chip. For example, a solid-state imaging device such as a CCD image sensor or a CMOS image sensor using a photodiode as a pixel may be used. In a CCD image sensor, photodiodes are arranged in a matrix on a substrate, and around each photodiode, a vertical CCD and a horizontal CCD for transferring an electrical signal photoelectrically converted by the photodiode. Is formed. In a CMOS image sensor, photodiodes are arranged in a matrix on a substrate, and a CMOS circuit for amplifying an electric signal photoelectrically converted by the photodiodes is provided around each photodiode. Yes.

〔変形例2〕
上記生体高分子分析チップ1では、スポット60が既知の塩基配列の一本鎖DNAからなるものであるが、その他の既知の生体高分子、例えば、既知のアミノ酸配列やペプチド配列のタンパク質、既知の細胞等からなるものでも良い。したがって、生体高分子分析チップ1によってタンパク質のアミノ酸配列やペプチド配列を分析することが可能となる。
[Modification 2]
In the biopolymer analysis chip 1, the spot 60 is made of single-stranded DNA with a known base sequence. However, other known biopolymers such as proteins with known amino acid sequences and peptide sequences, known What consists of a cell etc. may be sufficient. Therefore, the biopolymer analysis chip 1 can analyze the amino acid sequence and peptide sequence of the protein.

〔変形例3〕
また、上記実施形態では、励起光照射装置72から発する励起光を紫外線とし、励起光によってサンプルDNAから発する蛍光を可視光としたが、このような光の波長域に限定されない。但し、励起光照射装置72から発する励起光がサンプルDNAに結合させた標識物質を励起させる波長域の光であること、励起光によって標識物質から発した光の波長域が励起光の波長域と異なることが必要である。また、固体撮像デバイス3が標識物質から発した光に対して感度を示すことが必要である。
[Modification 3]
In the above embodiment, the excitation light emitted from the excitation light irradiation device 72 is ultraviolet light, and the fluorescence emitted from the sample DNA by the excitation light is visible light. However, the wavelength range of such light is not limited. However, the excitation light emitted from the excitation light irradiation device 72 is light in a wavelength range that excites the labeling substance bonded to the sample DNA, and the wavelength range of the light emitted from the labeling substance by the excitation light is the wavelength range of the excitation light. It is necessary to be different. Moreover, it is necessary for the solid-state imaging device 3 to exhibit sensitivity to light emitted from the labeling substance.

〔変形例4〕
また、上記分析支援装置70では、コントローラ73が固体撮像デバイス3から入力した画像データに従った画像を出力装置77に出力し、作業者が出力された画像からサンプルDNAの配列を特定したが、コントローラ73がサンプルDNAの配列を特定しても良い。すなわち、コントローラが、特徴抽出処理によって画像データ中のどの部分が蛍光を発しているかを特定し、蛍光を発している部分に対応するスポット60を特定し、その特定したスポット60に相補的な塩基配列を出力装置から出力する。
[Modification 4]
In the analysis support apparatus 70, the controller 73 outputs an image according to the image data input from the solid-state imaging device 3 to the output apparatus 77, and the operator specifies the sequence of the sample DNA from the output image. The controller 73 may specify the sequence of the sample DNA. That is, the controller identifies which part in the image data emits fluorescence by the feature extraction process, identifies the spot 60 corresponding to the part emitting fluorescence, and a base complementary to the identified spot 60 Output the array from the output device.

〔変形例5〕
また、セルフォックレンズアレイ33の入射面に励起光遮蔽膜32を成膜せず、スポット60,60,…をセルフォックレンズアレイ33の入射面に直接点着しても良い。その場合、セルフォックレンズアレイ33の各セルフォックレンズ34を励起光遮蔽性であって蛍光透過性の材料(例えば、TiO2)から形成すれば良い。
[Modification 5]
Further, the excitation light shielding film 32 may not be formed on the incident surface of the Selfoc lens array 33, and the spots 60, 60,... May be directly spotted on the incident surface of the Selfoc lens array 33. In that case, each Selfoc lens 34 of the Selfoc lens array 33 may be formed of a material (for example, TiO 2 ) having excitation light shielding properties and fluorescence transmission.

本発明の実施の形態における生体高分子分析チップ1の概略平面図である。1 is a schematic plan view of a biopolymer analysis chip 1 in an embodiment of the present invention. 図1の切断面IIに沿った断面図である。It is sectional drawing along the cut surface II of FIG. 固体撮像デバイス3の1つの画素の平面図である。3 is a plan view of one pixel of the solid-state imaging device 3. FIG. 図3の切断面IVに沿った断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view taken along a cutting plane IV in FIG. 3. 分析支援装置70の回路構成を示したブロック図である。3 is a block diagram showing a circuit configuration of an analysis support apparatus 70. FIG. 分析支援装置70の概略側面図である。3 is a schematic side view of an analysis support apparatus 70. FIG. ドライバによって固体撮像デバイス3に出力される電気信号のレベルの推移を示したタイミングチャートである。6 is a timing chart showing the transition of the level of an electric signal output to the solid-state imaging device 3 by a driver.

符号の説明Explanation of symbols

1…生体高分子分析チップ
3…固体撮像デバイス
32…励起光遮蔽膜
33…セルフォックレンズアレイ(光学伝送部)
60…スポット
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Biopolymer analysis chip 3 ... Solid-state imaging device 32 ... Excitation light shielding film 33 ... Selfoc lens array (optical transmission part)
60 ... spot

Claims (3)

固体撮像デバイスと、
円柱状のレンズの中心軸を互いに平行となるように複数の前記レンズを平面状に配列した光学系であり、一方の面から他方の面に像を伝送し複数の前記レンズ全体で一つの連続した像を形成する光学系であって、前記一方の面が前記固体撮像デバイスの受光面に対向し、且つ当接するよう前記固体撮像デバイスの受光面上に載置されたレンズアレイと、
前記レンズアレイの他方の面に成膜された励起光遮蔽膜と、
既知の生体高分子からなり、前記レンズアレイの他方の面に沿って点在し、前記励起光遮蔽膜に直接点着された複数種のスポットと、を備えることを特徴とする生体高分子分析チップ。
A solid-state imaging device;
An optical system in which a plurality of the lenses are arranged in a plane so that the central axes of the cylindrical lenses are parallel to each other, and an image is transmitted from one surface to the other surface, and one entire continuous lens A lens array placed on the light receiving surface of the solid-state imaging device so that the one surface faces and contacts the light-receiving surface of the solid-state imaging device;
An excitation light shielding film formed on the other surface of the lens array;
A biopolymer analysis comprising a plurality of types of spots made of known biopolymers, scattered along the other surface of the lens array , and spotted directly on the excitation light shielding film Chip.
前記レンズアレイが前記固体撮像デバイスの受光面に対して接離可能であることを特徴とする請求項1に記載の生体高分子分析チップ。 The biopolymer analysis chip according to claim 1, wherein the lens array is capable of contacting and separating from the light receiving surface of the solid-state imaging device. 固体撮像デバイスと、円柱状のレンズの中心軸を互いに平行となるように複数の前記レンズを平面状に配列した光学系であり、一方の面から他方の面に像を伝送し複数の前記レンズ全体で一つの連続した像を形成する光学系であって、前記一方の面が前記固体撮像デバイスの受光面に対向し、且つ当接するよう前記固体撮像デバイスの受光面上に載置されたレンズアレイと、前記レンズアレイの他方の面に成膜された励起光遮蔽膜と、既知の生体高分子からなり、前記レンズアレイの他方の面に沿って点在し、前記励起光遮蔽膜に直接点着された複数種のスポットと、を備えた生体高分子分析チップと、  An optical system in which a plurality of lenses are arranged in a plane so that the central axes of a solid-state imaging device and a cylindrical lens are parallel to each other, and an image is transmitted from one surface to the other surface, and the plurality of lenses An optical system that forms one continuous image as a whole, wherein the one surface faces the light receiving surface of the solid-state imaging device and is placed on the light-receiving surface of the solid-state imaging device An array, an excitation light shielding film formed on the other surface of the lens array, and a known biopolymer, interspersed along the other surface of the lens array, and directly on the excitation light shielding film A plurality of spotted spots, a biopolymer analysis chip comprising:
前記生体高分子分析チップに励起光を照射する励起光照射装置と、が形成されることを特徴とする分析支援装置。  An analysis support apparatus, comprising: an excitation light irradiation device configured to irradiate the biopolymer analysis chip with excitation light.
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