JP2006329716A - マイクロチップ測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 マイクロチップの加熱及び保温の効率がよくて、エネルギー効率が高い、マイクロチップ分析装置を提供すること。
【解決手段】 筐体と、筐体内部に配置された光源と、この光源の光軸上にマイクロチップ組み込み空間を形成するチップホルダと、このチップホルダが載置されるステージと、光源からの光を受光する受光部とを具備したマイクロチップ測定装置であって、チップホルダまたはステージの温度を検出する温度検出手段と、筐体内部の冷却を行う冷却手段と、温度検出手段からの検出値に基づいて、冷却手段を制御する制御手段と、を備える。冷却手段はファンからなり、ファンの回転数、シャッターの開閉状態が、温度検出手段からのデータに基づき制御され、筐体内部の温調が行われるのが好ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、マイクロチップの測定装置に関するものである。

近年、医療・バイオを初めとして様々な分野において、μ−ＴＡＳ（μ−Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ）や「Ｌａｂ ｏｎ ｃｈｉｐ」と称される、マイクロチップを用いた高精度・高感度の分析や効率の高い物質合成を行う方法が開発されつつある。例えばμ−ＴＡＳは、ポンプ，バルブ，注入，反応，分離，分析などの化学プロセスをマイクロチップに集積したデバイスであり、通常のスケールの化学プラントでは実現できない高効率の化学反応を実現できるため、日常的な健康状態のチェックや、個人の体質差を踏まえた投薬や治療の実現への有力なツールとなるポテンシャルを秘めている。

これらのマイクロチップを使用した分析システム（以下、「マイクロチップ分析システム」ともいう。）においては、一般に、マイクロチップ内部（またはマイクロチップ上）において混合、反応、抽出、分離または濃縮などのさまざまな化学プロセスがあり、例えば反応系を安定化、活性化させたり、反応速度を高めたり、反応効率を上げたりするために、温度を最適な状態にする必要がある。

試料を加熱する方法や熱源としては、例えば特許文献１（特開２００４−１０９０９９号公報）に記載の技術のように、ペルチェ素子のような熱板を用いる技術や、その他にも、輻射源としてのハロゲンランプやレーザを用いて加熱する技術（特許文献２特開２００３−１０７０９４号参照）が知られている。また、特許文献３（特開２００５−０４０７８４号公報）には、熱電素子を用いてマイクロチップの局所的な温度調節を行う、温度調節装置について記載されている。

また、上記マイクロ分析システムでは、試料の量が微量であるが故に高感度な検出方法が必須であり、そのための検出方法としては、物質の吸光量を測定する吸光光度分析法、または、物質が発する蛍光の波長や強度を測定する蛍光分析法が、一般に用いられている。

前者の吸光光度分析法は、断面が約１０〜１００μｍ角と非常に小さいセル内に試料を充填し、検出光を透過させ、その透過光に基づいて液中試料の吸光量を測定し、試料濃度、成分等を検出する方法である。後者の蛍光分析法は、セル内に充填した試料に励起光を入射したときに試料から発する蛍光の波長や強度を測定して、検出する方法である。

いずれの方法も光源が必須構成であり、特に蛍光分析法においては光量を要する場合が多く、そのため光源としては、ハロゲンランプ、キセノンランプ、水銀ランプ、高輝度発光ダイオードなどが好適といわれている。なお、このような光源を用いる場合、必要以上に光源部が発熱し、過熱状態に至った場合に備え、筐体内部を冷却するためのファンが備え付けられることがある。
特開２００４−１０９０９９号公報 特開２００３−１０７０９４号公報 特開２００５−０４０７８４号公報

以上のマイクロチップ分析システムにおいては、光源部とマイクロチップ分析部とが同一筐体内に配設された小型のユニットとし、持ち運び容易な形態とすることで、利便性を向上することが望まれている。しかして、小型化を達成した場合、光源部で発生した熱は、筐体内部では熱源となっているため、十分な冷却が必要とされる一方、過剰な冷却は、マイクロチップの加熱、保温を妨げるものとなって、効率の低下をもたらす原因となってしまう。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、マイクロチップの加熱及び保温の効率がよくて、エネルギー効率が高い、マイクロチップ分析装置を提供することである。

そこで本発明のマイクロチップ測定装置は、筐体と、筐体内部に配置された光源と、該光源の光軸上にマイクロチップ組み込み空間を形成するチップホルダと、該ホルダが載置されるステージと、光源からの光を受光する受光部とを具備したマイクロチップ測定装置であって、前記ホルダまたはステージの温度を検出する温度検出手段と、前記筐体内部の冷却を行う冷却手段と、前記温度検出手段からの検出値に基づいて、前記冷却手段を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする。

また、前記冷却手段が、ファンからなるのがよい。
また、前記制御手段は、ファンの回転数の増減を制御することにより、筐体内部の温調を行うのがよい。
また、前記ファンには開閉自在のシャッターが付設されており、前記制御手段は、シャッターの開閉状態を制御することにより、筐体内部の温調を行うのがよい。

また、前記光源は、キセノンランプであるのがよい。

前記マイクロチップを加熱する加熱手段を更に具備し、前記温度検出手段により測定された温度に基づいて、マイクロチップを加熱するのがよい。

マイクロチップの加熱及び保温の効率がよくて、エネルギー効率が高い、

以下、本発明について説明する。
図１は、本発明のマイクロチップ測定装置の構成の一例を示す説明用概略図であり、図２は図１のマイクロチップ測定装置を構成するチップホルダの構成を示す説明図である。また、図３は、図１中の光源部の構成、光学系、マイクロチップの構成および受光部を、配列に沿って模式的に示す説明図である。

先ず、図１〜図３を参照して全体構成について説明する。
図１において、筐体１１は矩形箱状であり、例えば厚さ３ｍｍのＡＢＳ樹脂より構成されている。
かかる筐体１１の内部には光源部２０を包囲する箱状成形体２１が配置され、その内部に光源用のランプ２２（以下、光源ランプ２２又は単にランプ２２ともという。）が組み込まれている。光源ランプ２２は例えば７０Ｗのショートアーク型キセノンランプであり、連続波長域に光を放射する。光源ランプ２２からの放射光の光軸Ｌ上には、集光用のレンズ２３が配置され、その先にアパーチャ２４が形成されて光源取出し部が形成されている。
この光源ランプ２２からの熱は、箱状成形体２１の壁面を介して筐体１１の内部空間Ｓを加温する。箱状成形体２１は、主にはランプ２２からの迷光が後述のチップホルダ３１に入射しないように包囲するものであり、不透光性である。材質としてはランプ２２からの輻射熱を筐体１２内部Ｓに効率よく放熱するため、熱伝導の良導体である金属からなるが好ましい。具体的には、アルミニウム、銅である。

この光源部２０の光軸Ｌの前方には波長選択フィルタ１２が配置され、更にその先にステージＳ上にアルミニウム製のチップホルダ３１が配置されている。
波長選択フィルタ１２は、吸光光度測定又は蛍光測定などに要求される波長域に合せて透過する波長域が決定されており、適宜交換可能である。
チップホルダ３１は、例えば図３で示すマイクロチップ３２を保持するための、マイクロチップ組み込み空間Ｈが内部に形成されている。図３においてマイクロチップ３２は、材質が熱可塑性樹脂、エポキシ樹脂、ガラスなどからなり、例えば、２５×２５ｍｍ、厚さ２ｍｍの薄板状であって被検査液が充填される空間３２Ａを有している。

チップホルダ３１の前端面３１ａには、図２に示すように、前記ランプの光軸に合致する位置に光入射用のアパーチャ３１Ａが形成され、一方、反対側の後端面３１ｂにはマイクロチップを透過した透過光が出射される、光取出し用アパーチャ３１Ｂが設けられている。
そして、光取り出し用アパーチャの先には、図３で示すような位置関係を有して光検出器３３が配置されている。かかる光検出器３３は、受光した光に基づいて光強度信号を出力する機能を有するものであり、例えばシリコンフォトダイオードなどの受光素子よりなる。光検出器３３からのデータは、図１のブロックで示す吸光光度または蛍光を測定する測定部３４に送信され、データが蓄積されると共に、所定の演算、処理が行われ、分析の結果が不図示の表示部に送信される。

図１で示すようにチップホルダ３１にはサーミスタなどから構成される温度検知手段４１が付設されている。この温度検知手段４１は、制御部４０に経線されており、温度検出手段４１は、連続的もしくは一定期間毎にチップホルダの温度を検出し、そのデータ（サーミスタの場合、温度に基づいた電気抵抗値）を制御部４０に送信する。温度検知手段４１の配置場所としてはマイクロチップの微小温度の変化を検知可能とするため、マイクロチップ下部に対応した個所に配置されるのが好ましいが、マイクロチップの温度と設置場所における温度の相関が概略決まるので、かかる構成に限定されるものではない。
よって、例えば温度検出手段４１は、チップホルダ３１のほか、当該チップホルダ３１が載置されるステージＳの温度を検出するものであってもよい。

制御部４０は、測定する被検査液、試薬、分析内容または処理工程などに基づいて設定された目標値および上限値を具備しており、かかる目標値または上限値と温度検知手段から得た温度データと照合して、予め設定された指示を、後述の加熱手段４２および／または冷却ファン４３に送信する。

チップホルダ３１下方には、底面に沿ってヒーターなどからなる加熱手段４２が具備されている。かかる加熱手段４２は、温度検知手段４１に基づく制御部４０からの指示に従って、チップホルダ３１を加熱する。（すなわち加熱手段４２はフィードバック制御される。）

一方、図１に示すように筐体１１の一部には冷却用のファン４３が設けられている。この冷却ファン４３の駆動回路４４は、前述した制御部４０からの信号によって、温度検知手段４１に基づいて、ファン４３の回転数が設定され、駆動状態が制御される。

ここに制御部の目標値とは、マイクロチップの、混合、反応、抽出、分離または濃縮などのさまざまな化学プロセスに応じて、例えば反応系を安定化、活性化させたり、反応速度を高めたり、反応効率を上げたりするために必要な最適な温度である。具体的には、分析内容が人間の肝機能を示すγ−ＧＴＰである場合は、被検査液は血液であり、試薬としてＧｌｕＣＡＮＡ（Ｌ−γ−グルタミル−３−カルボキシ−４−ニトロアニリド）が用いられる。この場合、目標値は３７℃である。
そして、前述の化学プロセスを達成するためマイクロチップの過剰な温度上昇を回避することが必要で、目標値とは別に、上限値が設定される。この上限値は、化学プロセスによって適宜に設定される。また、温度検知手段の設置場所によっても変わる。

制御部は、温度検知手段からのデータと前記目標値とを照合し、以下の制御を行う。
（１）検出温度が目標値よりも低い場合は、ファンを停止／または回転数を上げるよう駆動回路に指示すると共に加熱手段による加熱を行う。
（２）検出温度が目標値以上、かつ、上限値よりも低い場合は、ファンを停止／または回転数を下げるよう駆動回路に指示すると共に加熱手段による加熱を停止する。
（３）検出温度が上限値以上の場合は、ファンを駆動するよう駆動回路に指示すると共に加熱手段による加熱を停止する。
また、更に、温度筐体内部の温度が低下しない場合には下記操作を行う。
（４）検出温度が上限値よりも一定レベルに温度が過剰に高くなった場合には、ファンの回転数を増やし、加熱手段による加熱を停止し、光源ランプを消灯する。

以上の構成によれば、ファンの駆動状態が、筐体内部の温度を検出してその値に基づいて、測定温度が目標値よりも低い場合にはファンの駆動が停止されるため、光源部において発生した熱によって筐体内部が加温され、マイクロチップがアシスト的に加熱されるので、マイクロチップの温度を早期に所期の温度に到達させることができると共に、余剰に光源ランプから放熱された熱が効用無く排熱されることが無く、エネルギー効率がよくなる。
また、光源部からの熱の授受では目標値に達しない場合でも、光源部からの熱で予め加熱されているため、アシスト的な加熱が無い場合に比較して目標値までの温度差が小さく、少ないエネルギーで目標の温度まで加熱することができる。また、光源部からの熱で加熱されるため、マイクロチップを省エネルギーで目標の温度に保温することができる。

図４は、上記第１の実施形態に係るマイクロチップ測定装置の動作を示すフローチャートである。
装置電源のスイッチがＯＮされて（Ｓ１１）装置に電力が供給された後、別のスイッチ操作によって光源ランプが点灯される（Ｓ１２）。
続いてマイクロチップがチップホルダに組み込まれる（Ｓ１３）。
スイッチ操作によって制御部の駆動が開始され、温度検知手段と制御手段が駆動される（Ｓ１４）。温度検知手段は筐体内部の温度を検出し、そのデータを制御手段に送信開始する。温度の検出は例えば連続的に行われる。
制御部は、温度検知手段からの温度データと予め設定された目標値とを照合し（Ｓ１５）、その差異に応じて、検出温度が目標値よりも低い場合は、ファンを停止／またはファン回転数を下げる状態に維持するよう駆動回路に指示すると共に、加熱手段によってチップホルダの加熱を行う（Ｓ１６）。
しかる後、温度検知手段からの測定温度データが目標値に達すると、その値と上限値とを比較する（Ｓ１７）。制御部は、測定温度が目標値以上かつ上限値未満にあると判断すると、加熱手段に加熱停止の信号を送信し、ファンの停止／またはファン回転数を上げると加熱の停止状態を継続するよう制御する（Ｓ１８）。
一方、光源部からの放熱量が大きく、測定温度が上限値を超えた場合は、加熱手段の駆動を停止した状態でファンを駆動して筐体内部を冷却し、マイクロチップの過剰な温度上昇を回避する（Ｓ１９）。
そして更に温度上昇が検出された場合は、ファンの回転数を増大するよう駆動回路に信号を送信する。もしくは、ランプの点灯装置に対してランプ停止の信号を送信する。

以上のように、本発明は、ファンの駆動を筐体内部に配置された温度検出手段からの測定データに基づいて行われ、温度が目標値よりも低い場合にはファンの駆動を停止させているので、光源部において発生した熱によって筐体内部が加温され、マイクロチップの加熱、保温が効率よく行われる。従って、余剰のエネルギーを無駄なく利用することができる。また、筐体内部の温度が所定値を超えた場合には、ファンが駆動されて筐体内部の温度を低下させるので、当該マイクロチップの温度が著しく目標値を超えて過熱することが防止され、所期の状態に維持することができる。

図５は、上記実施形態と異なる、本発明の第２の実施形態を説明するマイクロチップ測定装置の構成の一例を示す説明用概略図である。
この実施形態が前記第１の実施形態と相違する点は、ファン４３の制御機構にあり、この実施形態ではファン４３の背面に開閉自在のシャッター４５が設けられて排風量が規制される点である。なお、その他の構成は図２、図３と同様であるためこれらを用いて説明する。また図５において、図１で説明した構成と同じ構成（同一機能を有する部材）については、図１で用いた符号と同じ符号で示している。
シャッター４５は例えばアルミニウムの板よりなり、その一辺が例えば蝶番によってファンに開閉自在に取り付けられると共に、シャッター４５がギヤ４６で開口量を所望に変更可能となっている。具体的には、ギヤ４６に駆動モータが設けられており、これが制御部からの信号によって、回転位置が制御されることで開口量を調節する。例えば、温度検出手段４１からチップホルダ３１が過熱状態である、というデータが送られた場合は、シャッター４５の開口状態を最大のＰ１状態にし、その後、チップホルダ３１の温度が所定温度以下の目標温度に近づいた場合、シャッター４５の開口状態をＰ２状態のように小さくして、チップホルダ３１の温度を目標温度に近づけるよう制御する。
なおこの実施形態において、ファン４３の駆動はシャッター４５の開閉に連動してＯＮ／ＯＦＦのみが制御され、回転数は一定である。

図６は第２実施形態における制御部動作を説明するフローチャートである。
装置電源のスイッチがＯＮされて（Ｓ２１）装置に電力が供給された後、別のスイッチ操作によって光源ランプが点灯される（Ｓ２２）。
続いてマイクロチップがチップホルダに組み込まれる（Ｓ２３）。
スイッチ操作によって制御部の駆動が開始され、温度検知手段と制御手段が駆動される（Ｓ２４）。温度検知手段は筐体内部の検出し、そのデータを制御手段に送信開始する。温度の検出は例えば、連続的に行われる。
制御部は、温度検知手段からの温度データと予め設定された目標値とを照合し（Ｓ２５）、その差異に応じて、検出温度が目標値よりも低い場合は、ファンの停止状態およびのシャッターを閉鎖状態を維持するよう駆動モータに指示すると共に、加熱手段によってチップホルダの加熱を行う（Ｓ２６）。
しかる後、温度検知手段からの測定温度データが目標値に達すると、その値と上限値とを比較する（Ｓ２７）。制御部は、測定温度が目標値以上かつ上限値未満にあると判断すると、加熱手段に加熱停止の信号を送信し、ファンの停止状態およびシャッターを閉鎖状態を維持するよう駆動モータに指示すると共に、加熱を停止するよう制御する（Ｓ２８）。
一方、光源部からの放熱量が大きく、測定温度が上限値を超えた場合は、加熱手段の駆動を停止した状態で、ファンの駆動を開始すると共にシャッターを比較的小さい範囲で開口するよう駆動モータに信号を送信して、マイクロチップの過剰な温度上昇を回避する（Ｓ２９）。
そして更に温度上昇が検出された場合は、シャッターの開口状態を更に大きくするよう駆動回路に信号を送信する。もしくは、ランプの点灯装置に対してランプ停止の信号を送信する。

以上のように、本発明は、温度検出手段からの測定データに基づいて、温度検出手段からのチップホルダまたはステージの温度が目標値よりも低い場合にはファンによる冷却操作が停止されているので、光源部において発生した熱によって筐体内部が加温され、マイクロチップの加熱、保温が効率よく行われる。従って、余剰のエネルギーを無駄なく利用することができる。また、筐体内部の温度が所定値を超えた場合には、ファンが駆動されて筐体内部の温度を低下させるので、当該マイクロチップの温度が目標値を著しく超えて過熱することが防止され、所期の状態に維持することができる。しかも、シャッターの開閉状態により通風量が制御されているため、チップホルダの温度を早期に目標温度まで近づけることができるようになる。

以上、本発明の実施の形態について具体的に説明したが、本発明は、上記の例に限定されるものではなく、各部の具体的構成については種々の変更を加えることができる。
例えば、光源は、キセノンランプには限られず、例えば、ハロゲンランプ、水銀ランプ、高輝度発光ダイオード、またはその他の光源を用いてもよい。

本発明の第１の実施形態を説明するマイクロチップ測定装置の構成の一例を示す説明用概略図である。 図１のマイクロチップ測定装置のチップホルダの構成を示す説明図である。 図１中の光源部の構成、光学系、マイクロチップの構成および受光部を、配列に沿って模式的に示す説明図である。 第１の実施形態に係るマイクロチップ測定装置の動作手順示すフローチャートである。 本発明の第２の実施形態を説明するマイクロチップ測定装置の構成の一例を示す説明用概略図である。 第２の実施形態に係るマイクロチップ測定装置の動作手順示すフローチャートである。

符号の説明

１０ マイクロチップ測定装置
１１ 筐体
１２ 波長変換フィルタ
Ｓ 筐体内部空間
１２ 波長選択フィルタ
２０ 光源部
２１ 箱状成型体
２２ 光源ランプ
２３ レンズ
２４ アパーチャ
３１ チップホルダ
３１ａ 前端面
３１ｂ 後端面
３１Ａ アパーチャ
３１Ｂ アパーチャ
Ｈ マイクロチップ組み込み空間
３２ マイクロチップ
３２Ａ 光透過測定部
３３ 光検出器
３４ 測定部
４０ 制御部
４１ 温度検知手段
４２ 加熱手段
４３ 冷却ファン
４４ 駆動回路
Ｌ 光軸
Ｓ ステージ

Claims (6)

1. 筐体と、筐体内部に配置された光源と、該光源の光軸上にマイクロチップ組み込み空間を形成するチップホルダと、該チップホルダが載置されるステージと、光源からの光を受光する受光部とを具備したマイクロチップ測定装置であって、
   前記チップホルダまたは前記ステージの温度を検出する温度検出手段と、
   前記筐体内部の冷却を行う冷却手段と、
   前記温度検出手段からの検出値に基づいて、前記冷却手段を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とするマイクロチップ測定装置。
2. 前記冷却手段が、ファンからなることを特徴とする請求項１記載のマイクロチップ測定装置。
3. 前記制御手段は、ファンの回転数の増減を制御することにより、筐体内部の温調を行うことを特徴とする請求項２記載のマイクロチップ測定装置。
4. 前記ファンには開閉自在のシャッターが付設されており、
   前記制御手段は、シャッターの開閉状態を制御することにより、筐体内部の温調を行うことを特徴とする請求項２記載のマイクロチップ測定装置。
5. 前記光源は、キセノンランプであることを特徴とする請求項１記載のマイクロチップ測定装置。
6. 前記マイクロチップを加熱する加熱手段を更に具備し、前記温度検出手段により測定された温度に基づいて、マイクロチップを加熱することを特徴とする請求項１記載のマイクロチップ測定装置。
   

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