JP2005331862A - 顕微鏡観察用培養装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 過飽和加湿器を用いて水蒸気過飽和エアを培養チャンバに供給して、試料の乾燥を防止する。
【解決手段】 送風機２は、過飽和加湿器３にエアを供給する。過飽和加湿器３は、供給されたエアをヒータ３７によって加熱された水の中でバブリングすることにより、水蒸気過飽和エアとする。水蒸気過飽和エアは、培養チャンバ１に供給され、培養チャンバ１内を水蒸気飽和濃度に近い湿度とする。これにより、培養容器１１内の試料の乾燥が防止される。
【選択図】 図１

Description

本発明は顕微鏡観察用培養装置に関し、特に顕微鏡にて細胞，組織，細菌，微生物等の生体系試料を培養しながら長時間生存状態のまま観察および撮影するための顕微鏡観察用培養装置に関する。

顕微鏡にて観察対象である生体系試料（以下、単に試料という）を培養しながら長時間生存状態のまま観察および撮影する場合、透明箱体でなる培養チャンバを用意し、その中に試料を入れた培養容器を収納して保温し、高湿度状態で酸素ガスや二酸化炭素ガスの濃度が常に一定に制御された環境を形成して、これを顕微鏡ステージ上に載置する必要がある。

従来の顕微鏡観察用培養装置では、試料の乾燥を防ぐために、水を張った皿等の加湿器を培養チャンバ内に置いて、培養チャンバ内を高湿度状態に保つようにしていた（例えば、特許文献１参照）。

また、従来の顕微鏡観察用培養装置では、試料の乾燥を防ぐために、培養チャンバに供給するエアをバブラによって純水などの加湿用水の中を一度通すことにより、培養チャンバ内を高湿度状態に保つようにしていた（例えば、特許文献１参照）。

さらに、従来の顕微鏡観察用培養装置では、ヒータによる加熱によって試料から培地（水分）が蒸発することを防ぐために、ポンプにより培地容器から培地を試料に適時補充していた。
特開２００３−０２９１６４号公報

上述した従来の顕微鏡観察用培養装置では、水を張った皿等の加湿器を培養チャンバ内に置いて試料の乾燥を防いでいたが、この方法では、加湿器と培地との双方から水分が蒸発してしまい、試料が乾燥して死んでしまうという問題点があった。本願発明者らは、３７℃、湿度３０％の保温箱内に、培養チャンバおよび水を張った皿状の加湿器を設置し、種々の培養容器をセットして、ガス混合機から毎分２００ｍｌの送風を行いながら６時間放置し、水の蒸発量を測定した結果、培養容器の蓋をとった状態では、培養容器の蓋をした状態に比べて、数倍〜数十倍の水分蒸発があることを確認した。

また、従来の顕微鏡観察用培養装置では、培養チャンバに供給するエアをバブラによって純水などの加湿用水の中を一度通すことにより試料の乾燥を防いでいたが、この方法では、十分な水分をエアに与えることができず、試料が乾燥して死んでしまうという問題点があった。これは、バブラを用いて培養チャンバの前段でエアを加湿しても、エアが加温された培養チャンバに入ることにより気温が上昇して飽和水蒸気量が増加し、結果的に湿度が下がってしまい、培養チャンバ内の湿度を十分に高くすることができなかったからである。

さらに、従来の顕微鏡観察用培養装置では、ポンプにより培地容器から培地を試料に適時補充していたが、培養チャンバの底部をヒータで温めているため、試料近傍の温度がもっとも高くなり、均一の温度環境が得られないのみか、試料からの水分蒸発のために、長時間の実験では試料が乾燥して死んでしまうという問題点があった。なお、試料に培地を補充すると、培養容器の培地の位置が変動してしまうため、試料の同じ場所を顕微鏡で観察し続けることができなくなるおそれもあった。

本発明の目的は、上述の点に鑑み、過飽和加湿器を用いて水蒸気過飽和エアを培養チャンバに供給するようにして、試料の乾燥を防止できるようにした顕微鏡観察用培養装置を提供することにある。

課題を解決するための手段および効果

請求項１に係る顕微鏡観察用培養装置は、観察対象となる試料を収容する培養容器を収納し顕微鏡ステージ上に載置される培養チャンバと、前記培養チャンバ内にエアを供給するエア供給手段と、前記培養チャンバと前記エア供給手段との間に設けられ前記培養チャンバに供給されるエアを水蒸気過飽和エアとする過飽和加湿器とを有することを特徴とする。この構成によれば、培養チャンバの前段に過飽和加湿器を設けて、培養チャンバ内を水蒸気過飽和エアで加湿するようにしたので、培養チャンバ内の湿度を飽和水蒸気濃度に近い高湿度状態に維持することができ、試料の乾燥を防止できる。

請求項２に係る顕微鏡観察用培養装置は、前記過飽和加湿器が、前記エア供給手段から供給されたエアをバブリングする水を収容するバブラと、該バブラを加熱する加熱手段とを備えることを特徴とする。この構成によって、バブラ内の水が加熱手段で加熱されるので、バブリングされたエアは水蒸気過飽和エアとなり、培養チャンバに供給される。

請求項３に係る顕微鏡観察用培養装置は、前記過飽和加湿器が、前記エア供給手段から供給されたエアをバブリングする水を収容するバブラと、該バブラ内の水を超音波振動させる超音波発生器とを備えることを特徴とする。この構成によって、バブラ内の水が超音波振動しているので、バブリングされたエアは水蒸気過飽和エアとなり、培養チャンバに供給される。

請求項４に係る顕微鏡観察用培養装置は、前記エア供給手段が、送風機であることを特徴とする。この構成は、大気と同一組成のガス雰囲気中で試料を培養する場合に用いられて好適である。

請求項５に係る顕微鏡観察用培養装置は、前記エア供給手段が、２種類以上のガスを収容するガスボンベと、これらガスボンベのガスを混合するガス混合機とからなることを特徴とする。この構成は、大気と異なる組成のガス雰囲気中で試料を培養する場合に用いられて好適である。

請求項６に係る顕微鏡観察用培養装置は、前記培養チャンバが、循環式の加熱・冷却・送風装置によって所定温度に保たれた保温箱に収納されていることを特徴とする。この構成によって、培養チャンバ内の培養温度をより一層厳密に保つことが可能になる。

請求項７に係る顕微鏡観察用培養装置は、前記過飽和加湿器が、前記保温箱内に収納されていることを特徴とする。この構成によって、加湿後の水蒸気過飽和エアが培養温度以下に冷却されないために、より一層高湿度を維持することが可能になる。

観察対象となる試料を収容する培養容器を収納し顕微鏡ステージ上に載置される培養チャンバの前段に、培養チャンバに供給されるエアを水蒸気過飽和エアとする過飽和加湿器を設けることにより、試料の乾燥を防止した。

以下、本発明の実施例について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る顕微鏡観察用培養装置を示すシステム構成図である。図２は、図１中の培養チャンバ１の平面図である。

実施例１に係る顕微鏡観察用培養装置は、観察対象となる試料（図示せず）を培養する培養容器１１を収納し顕微鏡ステージ（図示せず）上に載置される培養チャンバ１と、培養チャンバ１にエアを供給する送風機２と、送風機２と培養チャンバ１との間に設置され、培養チャンバ１内を加湿するための過飽和加湿器３と、培養チャンバ１を収納する保温箱４と、保温箱４内の温度を一定に保つための循環式の加熱・冷却・送風装置５とから、その主要部が構成されている。

ガス混合機２と過飽和加湿器３とは、送風管路６ａを通じて接続されており、過飽和加湿器３と培養チャンバ１とは送風管路６ｂを通じて接続されている。送風管路６ａおよび送風管路６ｂを構成する接続チューブとしては、例えば直径６ｍｍのシリコンチューブが用いられる。このような送風管路６ａおよび送風管路６ｂに対応する培養チャンバ１としては、例えば５００ｍｌ程度の小型の容量のものが望ましい。

培養チャンバ１は、ガラス，プラスチック等の透明箱体で半気密的に形成され、試料を培養するシャーレ等の培養容器１１を収納するとともに、保温箱４内に収納されている。培養チャンバ１は、温度センサ１２および湿度センサ１３を備えている。

保温箱４は、透明アクリル樹脂板等で箱状に形成されている。保温箱４は、保温により培養チャンバ１内の試料が住みやすい環境を作り出すと同時に、顕微鏡の電動ステージ（図示せず）もそっくり保温箱４内部に納めるようになっており、試料のタイムラプス撮影などを容易にする。

培養容器１１は、円錐台形状の透明皿状部材で形成されていて、培養チャンバ１の底面壁の中央に穿設された透孔に嵌合されるように着脱自在に設置される。このため、培養容器１１の底面壁が培養チャンバ１の底面壁側に露呈しており、倒立顕微鏡の対物レンズ（図示せず）が該底面壁に対向するように配置されて、培養中の試料の観察および撮影が行なわれるようになっている。

温度センサ１２は、白金薄膜抵抗体，サーミスタ，熱電対等を用いて温度を測定するものである。温度センサ１２は、温度調節器１４に接続され、温度調節器１４は、加熱・冷却・送風装置５に接続されている。

湿度センサ１３は、高分子膜，セラミックス，電解質等を用いて湿度を測定するセンサであり、表示器１６に接続されている。

加熱・冷却・送風装置５は、冷媒の気化吸熱を利用したタイプのものや、ペルチェ効果を利用したタイプのものなどが、保温箱４の容量に応じて使用される。一般に、室温より高い温度で試料の培養を行なう場合に加熱が行なわれ、室温より低い温度で試料の培養を行なう場合には冷却が行なわれる。

送風機２は、電動式の送風ポンプでなり、エアを送風管路６ａを通じて過飽和加湿器３に向けて送り出す。送風機２は、ツマミ２１を備えており、送風量を可変に制御できるようになっている。

過飽和加湿器３は、水を収容する容器３１，送風管路６ａに接続され容器３１の底部にまで伸びたインレットチューブ３２，およびインレットチューブ３２の先端に取り付けられたスポンジ等でなる多孔エレメント３３等からなるバブラ３０と、水中内に設置された温度センサ３５と、温度センサ３５に電気的に接続された温度調節器３６と、温度調節器３６に電気的に接続されたヒータ（加熱手段）３７とを含んで構成されている。

飽和水蒸気量は、ある温度の空気が含むことのできる水蒸気量の最大値である。温度によって飽和水蒸気量は変化し、温度が高くなればなるほど飽和水蒸気量は増加する一方、温度が低くなればなるほど飽和水蒸気量は減少する。しかし、水蒸気が次々に補給される、気温が低下する、凝結するために必要な核になるもの（チリなどの浮遊粒子）が少ない、などの条件が重なると、飽和点を過ぎても凝結しないことがある。これを「過飽和」の状態と呼んでいる。このような飽和水蒸気量以上の水蒸気を含むエアを、過飽和水蒸気エアという。

温度センサ３５は、白金薄膜抵抗体，サーミスタ，熱電対等を用いて温度を測定するものである。

ヒータ３７は、たとえば、ニッケルクロム合金等を加熱体としており、容器３１中の水を加熱する。

次に、このように構成された実施例１に係る顕微鏡観察用培養装置の動作について説明する。

顕微鏡観察用培養装置の立ち上げ時に、温度調節器１４に培養チャンバ１内の温度が設定され、温度調節器３６に容器３１内の水の温度が設定される。このとき、温度調節器３６の設定温度を温度調節器１４の設定温度より高くすることにより、培養チャンバ１内の水蒸気濃度が飽和水蒸気濃度に近い状態に保たれる。

送風機２の運転により、大気から取り入れられたエアは、送風管路６ａを通じて過飽和加湿器３に向けて送り出される。

送風機２から過飽和加湿器３に送られたエアは、インレットチューブ３２を通じて多孔エレメント３３から水中に泡状になって放出される。いま、水は温度センサ３５，温度調節器３６およびヒータ３７により設定温度にまで加温されているので、泡状になって水中に放出されたエアは飽和水蒸気量以上の水蒸気を含んだ状態の水蒸気過飽和エアとなって、送風管路６ｂを通じて培養チャンバ１に供給される。

送風管路６ｂを通じて培養チャンバ１内に水蒸気過飽和エアが送り込まれると、すでに培養チャンバ１内にあった水蒸気過飽和エアは、ドレイン１７を通じて外部に排出される。また、水蒸気過飽和エアは、培養チャンバ１内で水蒸気が結露することになるが、結露した水は水だめ１ａに一旦ためられ後に、ドレイン１７を通じて外部に排出される。

培養チャンバ１では、温度センサ１２が、培養チャンバ１内の温度を測定している。温度調節器１４は、温度センサ１２の出力信号に応じて、培養チャンバ１内の温度が設定温度となるように、加熱・冷却・送風装置５を駆動する。このため、培養チャンバ１内の温度が常に設定温度に保たれる。

また、培養チャンバ１では、湿度センサ１３が、培養チャンバ１内の湿度を測定して表示器１６に表示している。培養チャンバ１内の到達湿度は、水蒸気過飽和エアの供給により飽和水蒸気濃度の、例えば９０％以上となる。このため、培養チャンバ１内が高湿度状態に保たれ、試料および培地からの水分の蒸発が行なわれなくなる。

なお、上記実施例１では、過飽和加湿器３のバブラ３０をヒータ３７を備えるバブラ３０として構成したが、超音波発生器を備えるバブラとして構成することもできる（他の実施例でも同様）。超音波発生器を備えるバブラを使用した場合、水が霧状になって含まれる水蒸気過飽和エアが生成され、培養チャンバ１に供給される。超音波発生器を備えるバブラでは、水がヒータ等の加熱手段で加熱されないので、水蒸気過飽和エアの温度が低くなり、比較的低温で試料を培養する場合にも用いることができる。

図３は、本発明の実施例２に係る顕微鏡観察用培養装置を示すシステム構成図である。

実施例２に係る顕微鏡観察用培養装置は、図１に示した実施例１に係る顕微鏡観察用培養装置における送風機２を、ガス混合機２’に置き換えるとともに、過飽和加湿器３を保温箱４内に配置するようにしたものである。よって、特に言及しない部分については、実施例１に係る顕微鏡観察用培養装置におけるものと同様に構成されているので、詳しい説明を割愛する。

ガス混合機２’は、培養チャンバ１に混合ガスを供給するための混合ガス供給装置であり、ツマミ２２，表示部２３，流量計２４等を備える。ガス混合機２’は、二酸化炭素ガスボンベ７，窒素ガスボンベ８および酸素ガスボンベ９に接続されているとともに、送風管路６ａを通じて過飽和加湿器３に接続されている。ガス混合機２’は、二酸化炭素ガスボンベ７からの二酸化炭素ガス，窒素ガスボンベ８からの窒素ガス，および酸素ガスボンベ９からの酸素ガス，ならびに外部から取り入れた大気を混合して、混合エアとして過飽和加湿器３に送出する。ガス混合機２’は、過飽和加湿器３と組み合わせることで、培養チャンバ１内の高湿度な環境を維持し試料の水分蒸発を防ぐ。

二酸化炭素ガスボンベ７は、二酸化炭素ガスを圧縮収容するボンベである。ガス混合機２’は、内部で二酸化炭素ガスボンベ７からの１００％の二酸化炭素ガスと大気とを混合してツマミ２２にて設定された二酸化炭素濃度の混合ガスに調整する。二酸化炭素ガスの濃度は、例えば大気濃度〜２０％程度の濃度に制御される。

窒素ガスボンベ８は、窒素ガスを圧縮収容するボンベである。窒素ガスをガス混合機２’に導入するのは、嫌気性の試料の培養のために、酸素濃度を減らす必要がある場合である。

酸素ガスボンベ９は、酸素ガスを圧縮収容するボンベである。酸素ガスをガス混合機２’に導入するのは、培養チャンバ１内の酸素濃度を大気濃度以上にする場合である。酸素濃度は、窒素ガスボンベ８および酸素ガスボンベ９を使用することにより、例えば５％〜８５％の範囲で制御可能である。

ツマミ２２によって、各種ガスの混合比を任意に設定可能である。ガス混合機２’内にて各種ガスセンサ（図示せず）によりガス濃度を常時測定し、ガス濃度をモニタ２３にデジタル表示する。また、流量計２４は、例えば５０〜５００ｍｌ／ｍｉｎの範囲の流量を表示する。

次に、このように構成された実施例２に係る顕微鏡観察用培養装置の動作について説明する。なお、ここでは、嫌気性の試料の培養のために、酸素濃度を減らす必要があるケースを例にとって説明する。

顕微鏡観察用培養装置の立ち上げ時に、温度調節器１４に培養チャンバ１内の温度が設定され、温度調節器３６に容器３１内の水の温度が設定される。

初期状態では、培養チャンバ１およびガス混合機２’には元々大気が充満しており、ガス混合機２’は、二酸化炭素ガスボンベ７および窒素ガスボンベ８に接続された電磁バルブ（図示せず）を開にして二酸化炭素ガスおよび窒素ガスを導入する。二酸化炭素ガスおよび窒素ガスのガス混合機２’への導入に伴って、ガス混合機２’および培養チャンバ１に元々あった大気の大部分はドレイン１７を通じて外部に排出され、水蒸気過飽和エアと交換される。また、その一部分は、二酸化炭素ガスおよび窒素ガスと混ざり合いながら培養チャンバ１の窓等のすきまを通じて次第に培養箱４内、さらには外部へ排出される。

ガス混合機２’内では、二酸化炭素ガスおよび窒素ガスの各成分ガスが均一に混ざり合うようにエアを攪拌する。大気濃度〜２０％の範囲で二酸化炭素濃度を制御する場合には、二酸化炭素ガスボンベ７を使用する。また、大気より低濃度の酸素制御を行なう場合には、窒素ガスボンベ８を使用し、大気より高濃度の酸素制御を行なう場合には酸素ガスボンベ９を使用する。

また、ガス混合機２’の運転により、ガス混合機２’内の混合エアは、送風管路６ａを通じて過飽和加湿器３に向けて送り出される。

送風機２から過飽和加湿器３に送られた混合エアは、インレットチューブ３２を通じて多孔エレメント３３から水中に泡状になって放出される。いま、水は温度センサ３５，温度調節器３６およびヒータ３７により設定温度にまで加温されているので、泡状になって水中に放出された混合エアは飽和水蒸気量以上の水蒸気を含んだ状態の水蒸気過飽和エアとなって、送風管路６ｂを通じて培養チャンバ１に供給される。

送風管路６ｂを通じて培養チャンバ１内に水蒸気過飽和エアが送り込まれると、すでに培養チャンバ１内にあった水蒸気過飽和エアは、ドレイン１７を通じて外部に排出される。

培養チャンバ１では、温度センサ１２および湿度センサ１３が、培養チャンバ１内の水蒸気過飽和エアの温度および湿度を測定している。

温度調節器１４は、温度センサ１２の出力信号に応じて、培養チャンバ１内の温度が所定範囲となるように加熱・冷却・送風装置５により培養チャンバ１内のエアを加熱または冷却する。

なお、上記実施例２では、嫌気性の試料の培養のために酸素濃度を減らすケースを例に用いて説明したが、研究用のための特殊な用途では大気濃度よりも高い酸素濃度で試料を培養するケースがあり、たとえば過酸素雰囲気の場合では、酸素濃度が７０％以上の状態での試料の培養のケースもある。このようなケースの場合には、酸素ガスボンベ９を接続し、ツマミ２２で設定された酸素濃度に応じて酸素用電磁バルブ（図示せず）を開放して、混合エア中の酸素濃度を高濃度に保つようにする。

また、上記実施例２では、使用するガスを二酸化炭素ガス，窒素ガスおよび酸素ガスの３種類としたが、培養する試料に応じてそれら以外のガスを併用または単独で使用することができることはいうまでもない。

このように、実施例２によれば、ガス混合機２’を使用して、所望のガス混合濃度の混合ガスを培養チャンバ１内に供給するようにしたので、大気と異なる組成のガス雰囲気中で試料を培養することが可能になる。また、過飽和加湿器３を、培養チャンバ１内に収納するようにしたので、水蒸気過飽和エアが途中で培養温度以下に冷却されないために、培養チャンバ１内をより一層高湿度に維持することができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるのではなく、請求項の記載に基づく技術的範囲を逸脱しない限り、種々の変形ないし改良を付加することができる。

本発明の実施例１に係る顕微鏡観察用培養装置を示すシステム構成図である。 図１中の培養チャンバの平面図である。 本発明の実施例２に係る顕微鏡観察用培養装置を示すシステム構成図である。

符号の説明

１ 培養チャンバ
２ 送風機
２’ ガス混合機
３ 過飽和加湿器
４ 保温箱
５ 加熱・冷却・送風装置
６ａ 送風管路
６ｂ 送風管路
７ 二酸化炭素ガスボンベ
８ 窒素ガスボンベ
９ 酸素ガスボンベ
１１ 培養容器
１２ 温度センサ
１３ 湿度センサ
１４ 温度調節器
１６ 表示器
３０ バブラ
３１ 容器
３２ インレットチューブ
３３ 多孔エレメント
３５ 温度センサ
３６ 温度調節器
３７ ヒータ（加熱手段）

Claims (7)

1. 観察対象となる試料を収容する培養容器を収納し顕微鏡ステージ上に載置される培養チャンバと、
   前記培養チャンバ内にエアを供給するエア供給手段と、
   前記培養チャンバと前記エア供給手段との間に設けられ前記培養チャンバに供給されるエアを水蒸気過飽和エアとする過飽和加湿器と
   を有することを特徴とする顕微鏡観察用培養装置。
2. 前記過飽和加湿器が、前記エア供給手段から供給されたエアをバブリングする水を収容するバブラと、該バブラを加熱する加熱手段とを備えることを特徴とする請求項１記載の顕微鏡観察用培養装置。
3. 前記過飽和加湿器が、前記エア供給手段から供給されたエアをバブリングする水を収容するバブラと、該バブラ内の水を超音波振動させる超音波発生器とを備えることを特徴とする請求項１記載の顕微鏡観察用培養装置。
4. 前記エア供給手段が、送風機であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の顕微鏡観察用培養装置。
5. 前記エア供給手段が、２種類以上のガスを収容するガスボンベと、これらガスボンベのガスを混合するガス混合機とからなることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の顕微鏡観察用培養装置。
6. 前記培養チャンバが、循環式の加熱・冷却・送風装置によって所定温度に保たれた保温箱に収納されていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の顕微鏡観察用培養装置。
7. 前記過飽和加湿器が、前記保温箱内に収納されていることを特徴とする請求項６記載の顕微鏡観察用培養装置。

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