CN1904588B - 微型芯片测定装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种微型芯片测定装置，能够降低因短弧光型放电灯的光量的增减而带来的影响，能够得到可靠性高的测定结果。本发明所涉及的微型芯片测定装置，其特征在于，具有光源灯和灯点亮装置，使来自灯的光透过微型芯片的被检查液填充部，测定该透过光的光量，根据取得的数据测定被检查液的吸光度，并具有灯光量检测单元和控制单元，该灯光量检测单元检测来自光源灯的光量变化，该控制单元根据来自该灯光量检测单元的数据，在检测出变化时，中止或中断微型芯片透过光的光量取得。
Description
技术领域
本发明涉及微型芯片的测定装置。
背景技术
近年来，在以医疗、生物工艺学为首的各种领域，正在开发使用微型芯片进行高精度、高灵敏度的分析或高效的物质合成的方法，该微型芯片称为μ-TAS(μ-Total Analysis System，微全分析系统)或“Labon chip(芯片实验室)”。例如，μ-TAS是将泵、阀门、注入、反应、分离、分析等化学工序集成在微型芯片中的器件，因为能够实现在一般规模的化学工场所不能实现的高效率的化学反应，所以隐含着成为日常健康状态检查、实现根据个人体质差异来给药或治疗的有力工具的潜能。
在微型芯片分析系统中，为了测定检查对象液(以下也称“被检查液”)中的检测对象成分的浓度，一般使用吸光度分析法。
在吸光度分析中，将由在被检查液中加入试剂而得到的含有吸光成分的测定对象液倒入微型芯片中设置的流路内，将该流路的直线状部分作为吸光度测定部，用光检测器对从光源放射出来并通过了该吸光度测定部的光进行检测，并根据得到的吸光度，计算被检查液中的检测对象成分的浓度。
这种微型芯片的测定装置，在例如专利文献1中有记载。
然而，在上述的微型芯片分析系统中，根据分析的内容不同，照射的光的波段不同。因而，在具备出射类似激光这种单一波长的光源时，分析的对象受到限定，所以为了使之具有通用性，优选使用可根据对象切换照射的光的波长的、放射波长范围广的光的光源。
因此，作为放射发光光谱为宽带状的光的光源，可以考虑例如灯。
其中，如果是短弧光灯，因辉度高，为点光源，所以从聚光性上考虑也属优选。
图8是示意性地表示微型芯片分析系统的光学系统的图。
从短弧光灯10放射出的光，通过预定的光学元件(11、12)，从而被变换成平行光，而且只有预定范围的波长被取出，入射到芯片支架20。入射到芯片支架20的光通过小孔20A，入射到微型芯片21的测定部21A的入射面21a，透过测定部21A中填充的被检查液的透过光入射到作为受光元件的光电二极管31。受光元件31上连接着放大器32，光量放大后的数据被记录在数据记录器33(自动记录装置)等记录装置中。然后，预定的测定时间结束后，在未图示的运算部解析测定数据，算出吸光度。光量数据由未图示的控制部以预定的吸光度测定时间，例如以1s间隔检测。
专利文献1：特开2004-109099号公报
专利文献2：特开2003-107094号公报
专利文献3：特开2005-040784号公报
然而，在短弧光型放电灯中，在灯的寿命末期，有时会产生一种在电极间形成的弧光的位置变化的现象，该现象称为弧光突变(arcjump)。如果产生弧光突变，在同一路径中流动的热电子流就会暂时性地改变路径，在电阻和电压变移的同时，光量也发生增减。如果发生弧光突变，来自灯的放射光的光量不稳定，由于形成在微型芯片上的光的入射部的截面积为例如1mm×1mm的极小的区域，所以即使是微小的光量变化，也会对微型芯片的测定带来大的影响。
作为对此进行补正的方法，可以考虑对入射到微型芯片前的光量和透过(出射)后的光量的变化进行监控，但是实际上光轴调整非常困难，而且成本高，难以实现。
发明内容
本发明要解决的课题在于提供一种微型芯片测定装置，能够以比较简单的结构降低短弧光型放电灯的光量的增减造成的影响，能够得到可靠性高的测定结果。
本发明所涉及的微型芯片测定装置，其特征在于，具有光源灯和点亮该光源灯的灯点亮装置，使来自上述灯的光透过微型芯片的被检查液填充部，测定该透过光的光量，根据取得的数据测定被检查液的吸光度，并具有灯光量检测单元和控制单元，该灯光量检测单元检测来自光源灯的光量变化，该控制单元在根据来自该灯光量检测单元的数据，检测出变化时，中止或中断微型芯片透过光的光量取得。
另外，其特征在于，上述灯点亮装置为恒电流驱动方式，上述灯光量检测单元由灯电压检测电路构成，该灯电压检测电路根据上述光源灯的工作电压的变化，检测光量变化，上述控制单元进行如下控制：将来自灯电压检测电路的数据和预先设定的预定值进行比较，当该数据在预定的范围外时，中止其后的微型芯片透过光的光量取得。
另外，其特征在于，上述灯电压检测电路构成为包含基准电压发生用的恒电压发生电源和放大器。
另外，其特征在于，上述灯光量检测单元由受光元件构成，该受光元件对来自上述光源灯的出射光直接受光，上述控制单元将来自上述受光元件的光量数据和预先设定的预定值进行比较，当该数据在预定的范围外时，暂时中断微型芯片透过光的光量测定。
根据本发明，可得到以下的效果。
(1)可提供一种微型芯片测定装置，该微型芯片测定装置通过进行控制，使其在弧光中检测出变化时，中止或中断微型芯片透过光的光量取得，从而可回避因灯的光量变化而在吸光度的测定中产生影响，而能够高精度地进行吸光度的测定，可得到可靠性高的结果。
(2)当灯点亮装置为恒电流驱动方式时，如果设定成检测电压的变化来检测弧光变化，就能够以比较简单的电路结构实现上述装置。
(3)除了微型芯片透过光检测用的受光元件以外，设置用于直接检测来自灯的光量的受光元件，检测弧光变化，由此能够对微型芯片透过光的检测实时地进行处理。
(4)能够通过检测弧光变化而预测灯的寿命，从而及时更换灯，使微型芯片测定装置的检测结果的可靠性保持高的状态。
附图说明
图1是说明本发明的微型芯片测定装置的结构的框图。
图2是构成弧光变化检测单元的电路结构的一例。
图3是说明本发明的微型芯片的测定程序的流程图。
图4是表示测定光量和灯电压的时间图的例子。
图5是本发明的其他实施方式中，设置光量变化监控用受光器来检测弧光变化时的说明用框图。
图6是示意性地表示本发明的其他实施方式的光学系统的结构的说明图。
图7是本发明的其他实施方式中的流程图。
图8是示意性地表示微型芯片分析系统的光学系统的图。
具体实施方式
图1是本发明的微型芯片测定装置的框图，图2是构成弧光变化检测单元的电路结构的一例，图3是本发明的流程图，图4是弧光检测单元中的时间图的例子。另外，在微型芯片测定装置中，关于光学系统结构，和前图图8相同，所以用此进行说明。
另外，本实施方式的微型芯片测定装置，是用吸光度分析法测定填充在微型芯片内的被检查液(检查对象)中的检测对象成分的浓度的装置。例如，该方法是测定GOT活性值的方法。
在图1中，DC驱动电路是将来自商用电源的电力变换成直流，进行恒电流控制的装置。
短弧光灯10是例如在石英玻璃制的真空管内部配置由钨构成的电极，并封入了氙气的氙灯，电极间距离为0.7mm，额定功率为75W，额定电压(Vr)为14.3V。
如果用氙灯，可得到较大发光强度，并容易点光源化，在波长250～1400nm的大范围波长区域具有连续光谱，在吸光度测定中较多使用的波长区域(具体而言是波长300～800nm的区域)中可以得到没有明线产生的、稳定的放射光谱。
在DC驱动电路23的前面，具备点火电路24，在此形成的起动用高压施加在短弧光灯10上。
从短弧光灯10放射出来的光，如前图图8所示，通过预定的光学元件(11、12)，从而变换成平行光，而且只有预定范围的波长被取出，入射到芯片支架20。入射到芯片支架20的光通过小孔20A，入射到微型芯片21的测定部21A的入射面21a。
在DC驱动电路23上，作为灯光量检测单元，连接着检测灯电压的变化的灯电压检测电路40。该灯电压检测电路40具体地由图2所示的电路构成。
在图2中，标号41是差动检测用的仪表放大器，灯的+侧端子连接着其一边的端子411，灯的-侧端子通过基准电压发生用电源42连接着另一边的端子412。
基准电压发生用电源42由恒电压发生电源构成，发生和短弧光灯10的额定电压近似了的电压。仪表放大器41取得从灯电压VL减去基准电压发生用电源42发生的基准电压值的电压值后，由差动放大率调整用电阻R1以预定的倍率将差动放大，并将该放大值Vdiff(V)向微型芯片测定单元50送出。
微型芯片测定单元50如图1的框图所示，构成为具备控制单元51、测定光量检测部30、运算单元52和显示单元53。
从灯电压检测电路40发送到微型芯片测定单元50的电压值在控制单元进行处理，如果该值在预先规定的预定范围内，就将能够取得光量数据的信号发送到测定光量检测部30。当其在预定的范围外时，就判断产生了弧光的变化而中止吸光度测定。而且，对显示单元53进行指示，使其显示“测定错误”。
在控制单元设定的预定的范围是指，例如对在从灯点亮后10分钟到11分钟之间的1分钟内的电压放大值Vdiff(V)数据取平均值，设定在该值Vav(V)±5％的范围内的范围。
光检测单元，例如具备前图图8所示的测定光量检测部30(即受光元件(31)、放大器32和数据记录器33)而构成，根据来自图1的控制单元51的光量数据取得指示，检测光量。受光元件(31)具体地由硅光电二极管构成。该硅光电二极管31是对波长300～1100nm的波长区域的光具有灵敏度的受光元件，对透过微型芯片21的测定部21A的透过光进行受光，将其变化成电压值。数据记录器33，记录并保存用放大器32放大了的电压值和光量测定时刻。
然后，如果图1的控制单元51判断出预定的吸光度测定时间已经结束，则在光检测单元中检测、保存的电压数据被输出到运算单元52。
运算单元52根据电压数据算出吸光度变化率(倾斜度)，由预先设定的运算公式换算成各种值。然后，将得到的值显示在显示单元53上。
如此，当检测出灯电压的变化时，即产生了弧光突变或闪烁时，会中止光量测定，所以就能够得到可靠性高的测定结果。
图3是说明本实施方式的操作程序的流程图。参照图1、图3和图8，说明本发明的操作程序。
1.灯10和微型芯片21的测定准备完毕时，通过手动的开关操作开始测定。吸光度测定时间被预先设定，检测GOT活性值时，吸光度测定时间为例如10分钟左右。
2.控制单元51判断预定的测定时间是否已经结束(步骤S11)，如果是测定时间内，就从控制单元51向灯电压检测电路40发出指示，使之取得Vdiff(V)数据。
3.灯电压检测电路40取得Vdiff(V)(步骤S12)后，将其发送到控制单元51。控制单元51将Vdiff(V)和预先设定的预定值进行比较(步骤S13)，如果在预定的范围内，就向测定光量检测部30发出指示，使之取得光量数据。
4.测定光量检测部30取得光量数据(步骤S14)，并将其保存(步骤S15)。光量数据保存后，返回到最初的步骤S11，如果是测定时间内，就重复步骤S11～步骤S15的操作。Vdiff(V)数据的取得间隔为例如每隔1秒进行，如果没有Vdiff(V)的变化，光量检测每秒进行。
5.在步骤S13，当Vdiff(V)在预先设定的预定范围外时，就通过显示单元53显示“测定错误”，促使进行灯更换，并中止吸光度测定。
6.在步骤S11中，预定的测定时间结束后，将在测定光量检测部30保存的数据送到运算单元52。
7.运算单元52将作为光量数据而得到的电压值运算成吸光度(步骤S17)，并进一步由此计算吸光度变化率(倾斜度)(步骤S18)。
然后，根据预先设定的运算公式从相应的吸光度变化率换算成GOT活性值(步骤S19)，将得到的GOT活性值在显示单元53上进行显示(步骤S20)。
在此，图4为表示微型芯片21的入射面21a上的光量(μW)和电压(V)的时间图的例子。图中的曲线分别为实际的灯电压(V)、被放大了的电压数据Vdiff(V)、光量(μW)。灯点亮后经过10分钟后，对电压数据Vdiff(V)测定1分钟，算出其平均值，将该值±5％的范围作为预定范围(Vav±5％范围)。进行预定范围检测后，迅速开始光量测定，采集10分钟的数据。另外，在本例中，是基准电压发生用电源发生的基准电压Vs(V)为14.6V，并将差分放大了20倍的例子。
额定电压Vr(V)和基准电压Vs(V)的差的绝对值为|14.3-14.6|＝0.3(V)。因而，该例中的灯电压VL(V)的电压数据Vdiff(V)就被描绘在0.3×20＝6(V)附近。
另外，如果将上述计算公式一般化，则差动放大电压如下：
差动放大电压：Vdiff＝|灯电压-基准电压值Vref|×放大器放大率
在图4的例中，测定开始约5分钟后，产生了光量的变化(用箭头表示)。从该时刻开始，电压数据Vdiff(V)的倾斜发生变化，降低到大大低于Vav-5％的线。如此，当灯电压发生变化，其值在Vav±5％的范围外时，明显是因为产生了弧光突变或闪烁等光量的变化。
另外，从该时间图可以明确看出，在灯电压数据中，光量的变化峰值和电压的变化峰值不一致，所以难以实时地判定能否取得光量。因此，根据灯电压变化来检测光量变化时，优选的是，在检测出异常的时刻，就中止吸光度测定，更换光源用的短弧光灯和微型芯片。
在以上的本实施方式中，在检测灯电压的微小变化时，将灯电压和基准电压的差分放大的理由如下：即，对于电压的测量和处理，一般是用数字进行处理，所以如果电压变化微小，是在不满电压测量单元的有效位数的范围内发生变化，就有可能看不出来。如果电压的测量单元的有效位数例如有6位或7位，即使是微小变化也能够以高分辨率进行测定的单元，就不需要放大。但是，附设这种高性能的电压计，只会导致装置的高成本化，不现实。
而且，如本发明所示，在对取得的电压进行数字处理以前，即在模拟的阶段进行放大，在能够以较低的成本实现。而且，通过取得电压和基准值的差分，而在微小变化的检测中排除无用的高位数的数值，微小的变化也能够准确无误地检测。
特别是在微型芯片检测装置中使用的短弧光灯，额定功率为例如50～75W，灯电压为例如12～15V左右，弧光突变或闪烁导致的电压变化极小，不到灯电压的1％。相对于灯电压的十几伏，检测不到0.1V的变化极其困难，但是如上所述，通过取得灯电压和基准电压的差并将其放大，就能够以高精度检测到微小的灯电压偏差。
因而，如本发明所示，通过将灯电压变化放大而取得电压数据Vdiff(V)的方法，伴随弧光变化的微小的电压变化也能够准确地检测。
另外，在上述结构中，基准电压发生用电源所发生的基准电压值如前面所述，设定在灯的额定电压附近即可。而且，在短弧光灯中随着使用时间的增大，电极磨损，极间扩大，所以呈现灯电压慢慢上升的趋势。从而，在实际使用中，优选的是，每次测定吸光度时对基准电压发生用电源所发生的基准电压值进行补正，并按此取得电压数据Vdiff(V)。
基准电压值：Vref＝灯点亮后10分钟到11分钟的1分钟的电压的平均值
在此，从灯点亮后10分钟后开始取得电压的理由，是因为灯刚点亮后，灯的弧光不稳定，电压值的变化大，经过10分钟后就能够取得稳定状态下的电压值。
根据以上说明的本发明，以电压值为基础检测短弧光灯的弧光变化，在弧光发生了变化时，不进行透过微型芯片的光的光量测定，所以在伴随弧光变化发生光量的增减时，能够回避不必要的测定，能够以高精度实现微型芯片中预期的测定。
而且，在用电压值检测弧光的变化时，也用其放大值判断是否发生弧光变化，所以连比电压计的检测极限更小的变化也能够检测，能够准确地辨别出发生了弧光变化。
以下说明和上述不同的本发明的实施方式。图5是设置光量变化监控用受光器，检测弧光变化时的说明用框图，图6是示意性地表示光学系统的结构的说明图。另外，在图5、图6中，对于和前面用图1、图8说明过的部件相同的结构，标以相同的标号，并省略其说明。
本实施方式和上述的实施方式的不同之处在于，作为灯光量检测单元，还具备有受光元件60来替代灯电压检测电路，该受光元件60对来自灯的出射光进行监控。弧光变化检测用受光元件60是用于对灯的弧光变化进行监控的元件，具体地由硅光电二极管构成。在此，作为受光元件60的硅光电二极管，具体地是对波长300～1100nm的波长区域的光具有灵敏度的物体，对从配置在其前面的小孔61透过的光进行受光，将光量数据变换成电压值，并将该数据发送给图5中的微型芯片测定单元50。小孔61是将来自短弧光灯10的光缩小，使受光元件60对着短弧光灯10的中心，使得在用受光元件60进行受光时，由小孔61去掉一定程度的光量，从而在短弧光灯10和小孔61之间不需要配置特别的光学系统就能够检测微小的光量变化。例如，当用具有和微型芯片21透过光检测用的光电二极管31相同程度的检测能力的光电二极管构成弧光变化检测用的受光元件60时，优选的是使入射到各受光元件31、60的光的强度近似，为此，优选的也是使小孔的开口直径d1(mm)小于形成在芯片支架20上的小孔20A的开口直径d0(mm)，将光量缩小。
微型芯片测定单元50得到用弧光变化监控用受光元件60取得的光量数据后，在控制部对照其是否在预先设定的光量变化范围内，并判断能否取得来自微型芯片的透过光。另外，此处的光量变化范围，是以灯点亮后10分钟到11分钟之间的1分钟内的光量数据的平均值为基准值，以其±5％作为预定的范围。
用弧光变化监控用受光元件60取得的光量数据如果是在预定的光量变化范围内，就向测定光量检测部30进行指示，使其取得来自微型芯片的透过光的光量。另一方面，当变化超过预定的范围时，就对测定光量检测部30进行控制，使其不进行光量取得，其后，如果弧光变化监控用受光元件60的光量达到了预定的光量范围，就再开始由测定光量检测部30进行的光量取得。
图7是本实施方式中的流程图。另外，本例也和前面的实施方式一样，是表示检测GOT活性值时的例子。吸光度测定时间为例如10分钟左右。
参照图5～图7，说明本实施方式中的操作程序。
1.短弧光灯10和微型芯片21的测定准备结束后，由自动或手动的开关操作，将测定开始信号发送给微型芯片测定单元50中的控制单元51。
2.在控制单元51，判断预定的测定时间是否已经结束(步骤S21)，如果是测定时间内，就从该控制单元51对弧光变化监控用的受光元件60(光电二极管)发出指令，使其取得短弧光灯10的光量数据。
3.由弧光变化监控用受光元件60取得光量数据(步骤S22)后，该数据被送到控制单元51。控制单元51将得到的光量数据和预先设定的预定值进行比较(步骤S23)，如果在预定的范围内，就对测定光量检测部30发出指示，使其取得透过微型芯片21的光量数据。
4.测定光量检测部30用光电二极管31对透过微型芯片21的光进行受光，取得光量数据(步骤S24)后，将其保存在数据记录器33中(步骤S25)。光量数据保存后，返回到最初的步骤S21，如果是测定时间内，就重复同样的步骤S21～步骤S25的操作。弧光变化监控用受光元件60中的光量数据的取得间隔为例如每隔1s进行，如果没有检测出弧光的变化，则与此同步地，在测定光量检测部30也每隔1s进行光量检测。
5.在步骤S23，当光量数据在预定的范围外时，测定光量检测部30就不进行光量取得，返回到最初的步骤S21。然后，如果是在预定的吸光度测定时间内，就重复步骤S21～步骤S25的操作。
6.在步骤S21，预定的测定时间结束后，在测定光量检测部30取得并保存的数据被送到运算单元52。运算单元52将光量数据的数和预先规定的值进行比较(步骤S26)，如果是在规定值以上，就进入下一个步骤S27。
7.运算部将作为光量数据而得到的电压值运算成吸光度(步骤S27)，并进一步由此计算吸光度变化率(倾斜度)(步骤S28)。然后由预先设定的运算公式从相应的吸光度变化率换算成GOT活性值(步骤S29)，并将得到的GOT活性值显示在显示部上(步骤S30)。
8.另一方面，在步骤S26，光量数据的数没有达到规定值时，因为数据不足而不能运算，所以在显示单元显示“测定错误”(步骤S31)。
另外，在步骤S26，光量数据的不足意味着光量的变化较多。例如，每隔1s取得数据时，在吸光度测定期间(10分钟，即600秒)，数据个数不到八成(即不到480个)时，就判断为有效数据数少并显示错误(步骤S31)。这意味着灯弧光的异常频繁发生，灯处于寿命末期，所以优选通过显示装置等同时也显示“灯更换警告”的警报。
如此，根据用在灯的旁边另行设置的受光器取得光量的装置，能够在弧光变化期间不采集数据，实时地进行处理。
以上就本发明说明了实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式，毋庸置疑可进行各种变形、变更。例如，基准电压值和基于电阻的放大率不限于上述的值，可以适当地设定。另外，光源用的放电灯除了氙灯之外，可以使用适于作为投影装置的光源的超高压水银灯、短弧光型金属卤化物灯等。
Claims (2)
1.一种微型芯片测定装置，
具有短弧光灯和点亮该短弧光灯的灯点亮装置，
来自上述短弧光灯的光透过微型芯片的被检查液填充部，在预先设定的时间内测定透过上述微型芯片的被检查液填充部的光的光量，根据取得的数据测定被检查液的吸光度，
其特征在于，
上述灯点亮装置为恒电流驱动方式，
上述微型芯片测定装置具有：灯光量检测单元，检测来自短弧光灯的光量变化；和
微型芯片测定单元，
上述灯光量检测单元由灯电压检测电路构成，该灯电压检测电路根据上述短弧光灯的工作电压的变化，检测光量变化，
上述微型芯片测定单元具备控制单元、测定光量检测部、运算单元和显示单元，
上述控制单元判断上述预先设定的时间是否已经结束，在上述预先设定的时间内时从上述控制单元向上述灯电压检测电路发出指示，使之取得电压值数据，并将该电压值数据与预先设定的预定值进行比较，当该电压值数据在预定的范围内时，向上述测定光量检测部发出指示，使之取得光量数据并保存，上述预先设定的时间结束后，将在上述测定光量检测部保存的光量数据送到上述运算单元，由上述运算单元运算吸光度，当上述电压值数据在预定的范围外时，中止微型芯片透过光的光量取得，并通过上述显示单元显示测定错误。
2.根据权利要求1所述的微型芯片测定装置，其特征在于，
上述灯电压检测电路构成为包含基准电压发生用的恒电压发生电源和放大器。
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