JP2006090775A - 吸光度測定ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】 放電ランプを測定用光源に使用してマイクロチップの吸光度測定を行っても、測定誤差の少ないマイクロチップ用の吸光度測定ユニットを提供すること。
【解決手段】 貼り合わせた２枚の板部材からなり、貼り合わせ面に空洞部を有し、その空洞部が連通して分析液導入部と試薬溜まり部と試薬混合部と該板部材の一端面に沿って直線状に配設される吸光度測定部を構成し備えてなるマイクロチップと、マイクロチップを組み込むチップホルダとからなるマイクロチップを使った吸光度測定ユニットであって、
チップホルダには、吸光度測定部と光軸を一致し、吸光度測定部の光軸に垂直な断面径よりも狭い開口径を有する光導入用のキャピラリー部が形成された吸光度測定ユニットとする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、吸光光度法により溶液分析を行うために使用するマイクロチップを使った吸光度測定ユニットに関する。

近年、半導体の微細加工技術やマイクロマシンの製作技術を応用して、化学分析等を従来の装置に比して微細化して行うμ-TASやLab.on a Chipと称されるマイクロチップを使用した分析手法が注目されている。μ−ＴＡＳを医療分野に使用した場合には、例えば血液のような検体の量を少なくすることで患者への負担を軽減することができるし、試薬の量を少なくすることで検査のコストを低減することができる。また、装置が小型であるため、検査を簡易に行うことができる、等の利点がある。

マイクロチップを使用した吸光光度法による分析によれば、（１）無痛針によって採血した血液をチップ内に導入する、（２）チップ内の血液に対し遠心分離処理を施して血漿と血球とに分離する、（３）血漿を試薬とをミキサーによって均一に混合させて測定液とする、（４）測定液を吸引ポンプによって吸光度測定部に導入する、（５）吸光度測定部に導入された測定液に光源からの光を当てて特定波長の光の減衰量を測定する吸光度測定、という一連の作業を行うことによって、血漿中に含まれる所望の酵素の濃度を測定することができる。例えば肝機能を診断する上で必要となる、例えばＧＴＰ（グルタミルトランスぺプチターゼ）やγ−ＧＴＰ等のような血液中に含まれる酵素濃度を分析する手法については、特開２００４−１０９０９９号公報に開示されている。

同公報には、発光ダイオード等の光源から放射され、チップの上面から入射して、例えば血漿のような分析検体が充填されたチップ内の微小流路にて全反射されてチップ上面から出てくる光を、シリコンフォトダイオード等の検出器によって検出する方法が示されている。

ところが、発光ダイオードから放射される光は発散光であり、チップ内に入射させた光の全てを微小流路内にて全反射させることは極めて困難であるため、吸光度を精度良く測定することができない、という問題がある。すなわち、上記公報のように、マイクロチップの上面に光源と検出器の両方を配置して吸光度を測定することは測定誤差を生じる原因となるため好ましくない。

その一方で、図６に示すように、光源からの光をマイクロチップの一方の側面から入射させて、マイクロチップ４０内の検出用流路４１に充填された検体によって光吸収させ、他方の側面から出てくる蛍光を検出するという技術が、特開２００４−７７３０５号公報に記載されている。マイクロチップの直線状の検体の検出用流路を使用する方法において、検体として血液を用いて吸光度を測定すれば精度良く測定できるものと考えられる。

吸光光度法によって試料の濃度を測定するのにマイクロチップを使用する場合、光路長は、吸収量を稼ぐ必要性から短く出来ないので、吸光度測定部の光入出射部分の面積は例えば０．４９ｍｍ^２と非常に小さく、非常に細長いセルにする必要がある。そのため正確な吸光度測定には平行度の高い光を入射させる必要がある。光の平行度が高ければ、吸光度測定部側面を通過して吸光度測定部外部に漏れる光が減少し、迷光による測定誤差が小さくなるからである。ここで迷光というのは、吸光度測定部以外のチップ部分を通過して光検出器に入り込む光である。

理想的な光源としてはレーザーが考えられるが、化学分析に必要な波長は多岐に亘っており、単色光であるレーザーは必要な波長毎に別のレーザーを必要とし、またコスト的にも高価となり、不適である。あるいは必要な波長を放射するレーザーが存在しないことも考えられる。よって光源には、連続波長域の光を放射するキセノンランプ等の放電ランプと波長選択フィルタなどの波長選択手段と組み合わせた構成の光源が好ましい。

しかし、放電ランプは発光点が大きく平行光を効率よく放射できないので、吸光度測定部以外の部分を通って受光器に入る迷光対策が必要となる。迷光は測定値に影響を与えるからである。

なお、平行度の低い光をマイクロチップの吸光度測定部に入射させる際の工夫として、吸光度測定部内部をフッ素系樹脂やアルミニウムなどでコーティングし、全反射を利用して光を出口まで導くという方法がある。また、吸光度測定部端面に石英材を貼り付け、基板を測定波長に対して不透明なものにするという方法もある。
吸光度測定部に導光する手段としては、チップの溝に光ファイバーを差し込み、セル内部では全反射を利用する方法がある。
特開２００４−１０９０９９号公報 特開２００４−７７３０５号公報

吸光度測定部内部をコーティングする方法では、吸光度測定部端面に対して斜めに入射した光は内部で全反射して受光器に届くため、吸光度測定部の長さよりも光路が長くなり実際よりも透過率が低くなるので、正しい透過率が測定できない。端面以外の部分を不透明にする方法では、全反射臨界角よりも浅い角度で吸光度測定部の側面に当たった光が全反射し、吸光度測定部の長さよりも光路が長くなり実際よりも透過率が低くなるので、測定誤差の要因になってしまう。光ファイバーを用いて導光する方法では、ファイバー先端から出た光が広がってしまうので吸光度測定部内部で反射が生じ測定値に誤差が生じてしまう恐れがある。

そこで、本発明の目的は、放電ランプを測定用光源に使用してマイクロチップの吸光度測定を行っても、測定誤差が少ない測定を可能にするマイクロチップを使った吸光度測定ユニットを提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、貼り合わせた２枚の板部材からなり、貼り合わせ面に空洞部を有し、該空洞部が連通して分析液導入部と試薬溜まり部と試薬混合部と該板部材の一端面に沿って直線状に配設される吸光度測定部を構成し備えてなるマイクロチップと、該マイクロチップを組み込むチップホルダとからなるマイクロチップを使った吸光度測定ユニットにおいて、該チップホルダには、該吸光度測定部と光軸を一致し、該吸光度測定部の光軸に垂直な断面径よりも狭い開口径を有する、該吸光度測定部へ光導入するためのキャピラリー部が形成されたことを特徴とする吸光度測定ユニットとするものである。

請求項２に記載の発明は、前記キャピラリー部内面が非反射処理されてなることを特徴とする請求項１に記載の吸光度測定ユニットとするものである。

請求項３に記載の発明は、前記チップホルダはアルミニウム製であり、前記キャピラリー部内面を黒アルマイト処理されてなることを特徴とする請求項２に記載の吸光度測定ユニットとするものである。

また、請求項４に記載の発明は、前記キャピラリー部は内部に拡径部を有することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の吸光度測定ユニットとするものである。

そして、請求項５に記載の発明は、前記キャピラリー部の光軸に垂直な最大長さをＤ_１、キャピラリー部の光軸方向の長さをＬ_１とし、前記吸光度測定部の光軸に垂直な最大長さをＤ_２、マイクロチップの、前記吸光度測定部を含み該吸光度測定部の光軸方向の端面間の距離をＬ_２とするとき、Ｄ_１＜Ｄ_２であって、Ｄ_１／Ｌ_１≦（Ｄ_２−Ｄ_１）／２Ｌ_２であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の吸光度測定ユニットとするものである。

請求項６に記載の発明は、前記チップホルダは、マイクロチップを挟む２つの部材からなり、一方あるいは両方の部材内面に溝が形成され、２つの部材を合わせることでキャピラリー部を形成することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の吸光度測定ユニットとするものである。

請求項７に記載の発明は、前記チップホルダは前記マイクロチップを該チップホルダに嵌め込むことで該チップホルダのキャピラリー部と該マイクロチップの吸光度測定部との光軸が一致するものであって、該マイクロチップは該チップホルダに弾性部材により押さえられ保持されるものであることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の吸光度測定ユニットとするものである。

請求項１の発明によれば、キャピラリー部を通過して吸光度測定部に入射する光は平行光成分が多く、吸光度測定精度をキャピラリー部を使用しない場合に比べ上げることが出来る。

請求項２および請求項３の発明によれば、キャピラリー部内部で反射する光をなくすことで、平行光成分を多くすることができ、吸光度測定精度をキャピラリー部の不使用の場合に比べ上げることが出来る。

請求項４の発明によれば、キャピラリー部内部で反射する光をほぼ完全になくすことが出来る。

請求項５の発明によれば、吸光度測定部入射口前面のキャピラリーを通過した光は必ず試料中を進み、吸光度測定部の側面に当たることなく検出器に到達する。よって、誤差なく精度の良い吸光度測定が行える。

請求項６の発明によれば、キャピラリー部をチップホルダ内に簡便に形成することが出来る。

請求項７の発明によれば、マイクロチップをチップホルダに嵌め込むことでチップホルダのキャピラリー部とマイクロチップの吸光度測定部との光軸が一致させ、マイクロチップはチップホルダに弾性部材により押さえられ保持され、チップホルダからマイクロチップが抜けることがなく、安定した吸光度測定ができる。

図４に本発明の吸光度測定ユニットに使用されるマイクロチップ１０の一構成例を示す。マイクロチップ１０はＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＣ（ポリカーボネート）等の熱可塑性樹脂やエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂等のプラスチック材料からなる。マイクロチップ１０は、２枚の板部材が貼り合わされてできている。貼りあわせ面の片面に予め溝が形成され、貼りあわせることで溝が空洞を形成する。そしてチップ外部と連通し分析液をチップに導入する分析液導入部１１と分析液と反応させるための試薬を充填した試薬溜まり部１２と分析液と試薬を混合する試薬混合部１３と混合して出来た検査液に外部から光を通過させる吸光度測定部１４を備える。吸光度測定部１４は板部材の一端面に沿って直線状に配設されている。なお、図４においては試薬溜まり部１２、試薬混合部１３、吸光度測定部１４等は、マイクロチップ１０内部にあるが便宜上実線で表記している。

図１には本発明のマイクロチップ用の吸光度測定ユニットを示す。図１（ａ）には、マイクロチップ１０をチップホルダ２０に嵌め込んだ状態を示す。チップホルダ１０は図１（ａ）のＡ−Ａ´断面図である図１（ｂ）に示すように、２つ割りの部材からなり、一方の内面に直線状の溝が形成されており、２つのチップホルダ部材２０１と２０２を合わせることにより、図１（ｂ）のようなキャピラリー部２１が形成されることになる。このように、２つの部材を合わせることにより、キャピラリー部２１をチップホルダ２０内に簡便に形成することが出来る。なお、２つ割りの部材の両方に直線状の溝を形成することもできる。

図９にチップホルダの概略の斜視図を示す。チップホルダ２０はマイクロチップ（不図示）をチップホルダ２０に矢印の方向に嵌め込むことで、マイクロチップはチップホルダ内壁２０ａ、２０ｂと突き当たることで、位置決めされ、チップホルダ２０のキャピラリー部２１とマイクロチップの吸光度測定部との光軸が一致する。そして、マイクロチップ１０は図１（ｂ）に示すようにチップホルダ２０に弾性部材２２により押さえられ保持される。弾性部材は具体的にはたとえば板バネであり、あるいはゴム部材などが使用できる。なお、図９で記号４２は受光器用光取出部である。

キャピラリー部２１の開口径は吸光度測定部の光軸に垂直な断面の径より狭い径になっている。一例を挙げれば、キャピラリー部の開口径は０．３ｍｍ角、吸光度測定部の光軸に垂直な断面の径は０．７ｍｍ角である。また、キャピラリー部の光軸は吸光度測定部の光軸と一致している。キャピラリー部に入る光は後述するが、フィルタで選別された光であり、キャピラリー部を通って吸光度測定部に入り、フォトダイオード等の受光素子で受光される。キャピラリー部を通過して吸光度測定部に入射する光は平行光成分が多く、吸光度の測定の精度を上げる。

また、キャピラリー部内部に、例えばキャピラリー部内面がアルミニウムからなるものであれば黒アルマイト処理を施すと、キャピラリー部内で反射する光が減少し平行度の高い光を吸光度測定部に導くことができる。

さらには、図７のようにキャピラリー部２１内部に拡径部２１ａを有するようにすると、例えばキャピラリー中央部を窪ませた形状にすることで、キャピラリー部内部で反射する光を完全に抑えることができる。

図２はキャピラリー部と吸光度測定部と受光器の関係を説明する図である。キャピラリー部の光軸に垂直な最大長さをＤ_１、キャピラリー部の光軸方向の長さをＬ_１とし、前記吸光度測定部の光軸に垂直な最大長さをＤ_２、マイクロチップの、前記吸光度測定部を含み該吸光度測定部の光軸方向の端面間の距離をＬ_２とするとき、Ｄ_１＜Ｄ_２であって、
Ｄ_１／Ｌ_１≦（Ｄ_２−Ｄ_１）／２Ｌ_２ という関係式を満たすとき、キャピラリー部内側面に当たる光はなくなり、受光器には、キャピラリー部を通過した光のみが入射することで測定精度がさらに上がる。

図３はキャピラリー部端部から入射した光が吸光度測定部を通過する様子を示す。
この図３の状態はＤ_１／Ｌ_１＝（Ｄ_２−Ｄ_１）／２Ｌ_２の関係のときのものである。
キャピラリー部端部からキャピラリーに入射した光線において、最大角度を持って入射した光線は、キャピラリー内部で反射することなく、吸光度測定部の端部まで到達している。

図５は上式に関して、効果を検証するために行った測定実験の結果を示す。
図１における吸光度測定ユニットに、吸光度測定部に純水、5-アミノ-2-ニトロ安息香酸溶液（１、５、１０、２０、３０、５０μｍｏｌ／Ｌ）の７種の溶液を各々充填し、図８に示した測定系を組み、キセノンランプ３０とレンズ３１とバンドパスフィルタ３２を組み合わせた光源から中心波長４０５ｎｍの光（４０５±５ｎｍ）をキャピラリー部２１から入射させて、吸光度測定部１４を通過後の光をシリコンフォトダイオードからなる受光器３３で受光して、その減衰割合を調べたものである。すなわち、純水のみを吸光度測定部に入れたときの光の到達量を１００％として受光器３３にどの程度減衰して到達するかその到達量を見ている。5-アミノ-2-ニトロ安息香酸溶液は波長４０５ｎｍ付近に吸収を持ち、その濃度によって吸収量が変化する。図中のプロットは吸光度測定部１４を通過後の光をシリコンフォトダイオードからなる受光器３３で受光したときの到達量の値である。その値の近似直線が図中の実線である。なお、図５で標準値とは中心波長４０５ｎｍの光（４０５±５ｎｍ）を、上記の純水、5-アミノ-2-ニトロ安息香酸溶液（１、５、１０、２０、３０、５０μｍｏｌ／Ｌ）の７種の溶液を透過させて分光光度計で別途測定した値であり、図中点線で示される。

図５（ａ）は吸光度測定部の光軸に垂直な最大長さＤ_２が０．７ｍｍ、マイクロチップの、前記吸光度測定部を含み該吸光度測定部の光軸方向の端面間の距離Ｌ_２が１０ｍｍ、キャピラリー部の光軸に垂直な最大長さをＤ_１が０．５ｍｍ、光軸方向の長さをＬ_１が１０ｍｍのとき、すなわちＤ_１＜Ｄ_２の場合であって、Ｄ_１／Ｌ_１＞（Ｄ_２−Ｄ_１）／２Ｌ_２ という関係にある場合である。マイクロチップの吸光度測定部を挟む両側のチップ構成部材の部分は各々１ｍｍある。

そして、図５（ｂ）は本願発明であり、吸光度測定部の光軸に垂直な最大長さＤ_２が０．７ｍｍ、マイクロチップの、前記吸光度測定部を含み該吸光度測定部の光軸方向の端面間の距離Ｌ_２が１０ｍｍ、キャピラリー部の光軸に垂直な最大長さをＤ_１が０．３ｍｍ、光軸方向の長さをＬ_１が１０ｍｍのとき、すなわちＤ_１＜Ｄ_２の場合であって、Ｄ_１／Ｌ_１＞（Ｄ_２−Ｄ_１）／２Ｌ_２という関係にある場合である。
図５（ｂ）では、各試薬とも標準値（分光光度計による測定値）とほぼ同様の光減衰割合を示す。図５（ａ）では、迷光によって標準値よりも光減衰割合が高い結果となった。

なお、ここには不図示であるが、Ｄ_１＜Ｄ_２の場合であって、Ｄ_１／Ｌ_１＝（Ｄ_２−Ｄ_１）／２Ｌ_２の関係のとき、具体的には吸光度測定部の光軸に垂直な最大長さＤ_２が０．７ｍｍ、マイクロチップの、前記吸光度測定部を含み該吸光度測定部の光軸方向の端面間の距離Ｌ_２が１０ｍｍ、キャピラリー部の光軸に垂直な最大長さをＤ_１が０．３ｍｍ、光軸方向の長さをＬ_１が１５ｍｍのときにも、複数種の濃度の試薬で確認したが、いずれも標準値と略同様の減衰割合示した。

以上のことから、吸光度測定部の光軸に垂直な最大長さをＤ_２、マイクロチップの、前記吸光度測定部を含み該吸光度測定部の光軸方向の端面間の距離をＬ_２、キャピラリー部の光軸に垂直な最大長さをＤ_１、光軸方向の長さをＬ_１とするとき、
Ｄ_１＜Ｄ_２であって、Ｄ_１／Ｌ_１≦（Ｄ_２−Ｄ_１）／２Ｌ_２とすることで、精度良く吸光度を測定することができることが確認された。

本発明のマイクロチップ用の吸光度測定ユニットを示す。 吸光度測定部とキャピラリー部の関係を示す。 キャピラリー部端部から入射した光が吸光度測定部を通過する様子を示す。 本発明の吸光度測定ユニットが使用されるマイクロチップの構成例を示す。 本発明の効果を確認する実験結果を示す。 従来のマイクロチップの光測定について示す。 キャピラリー部内部を拡径した例を示す。 吸光度の測定系の概略図を示す。 本発明の吸光度測定ユニット用のチップホルダの概略斜視図を示す。

符号の説明

１０ マイクロチップ
１１ 分析液導入部
１２ 試薬溜まり部
１３ 試薬混合部
１４ 吸光度測定部
１４´ 吸光度測定部を含むチップ部位
２０ チップホルダ
２０ａ、２０ｂ チップホルダ内壁
２０１、２０２ チップホルダ部材
２１ キャピラリー部
２１ａ 拡径部
２２ 弾性部材
３０ キセノンランプ
３１ レンズ
３２ バンドパスフィルタ
３３ 受光器
４０ マイクロチップ
４１ 検出用流路
４２ 受光器用光取出部

Claims (7)

1. 貼り合わせた２枚の板部材からなり、
   貼り合わせ面に空洞部を有し、該空洞部が連通して分析液導入部と試薬溜まり部と試薬混合部と該板部材の一端面に沿って直線状に配設される吸光度測定部を構成し備えてなるマイクロチップと、
   該マイクロチップを組み込むチップホルダとからなるマイクロチップを使った吸光度測定ユニットにおいて、
   該チップホルダには、該吸光度測定部と光軸を一致し、該吸光度測定部の光軸に垂直な断面径よりも狭い開口径を有する、該吸光度測定部へ光導入するためのキャピラリー部が形成されたことを特徴とする吸光度測定ユニット。
2. 前記キャピラリー部内面が非反射処理されてなることを特徴とする請求項１に記載の吸光度測定ユニット。
3. 前記チップホルダはアルミニウム製であり、前記キャピラリー部内面を黒アルマイト処理されてなることを特徴とする請求項２に記載の吸光度測定ユニット。
4. 前記キャピラリー部は内部に拡径部を有することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の吸光度測定ユニット。
5. 前記キャピラリー部の光軸に垂直な最大長さをＤ_１、キャピラリー部の光軸方向の長さをＬ_１とし、前記吸光度測定部の光軸に垂直な最大長さをＤ_２、マイクロチップの、前記吸光度測定部を含み該吸光度測定部の光軸方向の端面間の距離をＬ_２とするとき、Ｄ_１＜Ｄ_２であって、Ｄ_１／Ｌ_１≦（Ｄ_２−Ｄ_１）／２Ｌ_２であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の吸光度測定ユニット。
6. 前記チップホルダは、マイクロチップを挟む２つの部材からなり、一方あるいは両方の部材内面に溝が形成され、２つの部材を合わせることでキャピラリー部を形成することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の吸光度測定ユニット。
7. 前記チップホルダは前記マイクロチップを該チップホルダに嵌め込むことで該チップホルダのキャピラリー部と該マイクロチップの吸光度測定部との光軸が一致するものであって、該マイクロチップは該チップホルダに弾性部材により押さえられ保持されるものであることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の吸光度測定ユニット。
   
   

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