JP2010019761A - 分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】分析用デバイスが光軸に対して傾いた場合であっても、分析精度の低下を低減できる分析装置を提供することを目的とする。
【解決手段】光源（１１２ａ）と凸レンズ（１１２ｂ）とアパーチャー（ＡＰ１）および検出器（１１３）の各中心が単一の軸（６５）上に配置されており、光源（１１２ａ）の中心から出射してアパーチャー（ＡＰ１）を通過した光の軸（６５）から片側への広がり角度：Ｂと、光源（１１２ａ）の中心から出射してアパーチャー（ＡＰ１）の中心を通過した主光線：ａ１と光源（１１２ａ）の端から出射してアパーチャー（ＡＰ１）の中心を通過した主光線：ｂ１との成す角度：Ａを、Ａ ＜ Ｂに設定したことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、生物などから採取した液体の分析に使用する分析用デバイスなどがセットされる分析装置に関する。

従来、生物などから採取した液体を分析する方法として、液体流路を形成した分析用デバイスを用いて分析する方法が知られている。分析用デバイスは、回転装置を使って流体の制御をすることが可能であり、遠心力を利用して、試料液の希釈、溶液の計量、固体成分の分離、分離された流体の移送分配、溶液と試薬の混合等を行うことができるため、種々の生物化学的な分析を行うことが可能である。
特表平７−５００９１０号公報（図１）

図８（ａ）に示すように、前記分析用デバイス５１に対して光５２を透過させて検出器５３によって読み取りを実施する場合には、外形形状が砲弾型と一般に呼ばれている発光ダイオード５４が使用されている。発光ダイオード５４はパッケージの一部５４ｂが凸レンズ形状に形成されていて指向性の高い光源となっている。この発光ダイオード５４から出射した光は、第１のアパーチャーＡＰ１を介して分析用デバイス５１に照射され、分析用デバイス５１の分析対象の個所を透過した光を、第２のアパーチャーＡＰ２を介し検出器５３で検出するように構成される。６６は第１のアパーチャーＡＰ１の孔の中心である。

しかし、分析用デバイス５１が光軸５５に対して図８（ｂ）に示すように傾いた場合には、光線が分析用デバイス５１を通過することによって光軸シフト量５６の軸ずれが発生して、検出器５３に到達する光量ムラが発生して、分析精度の低下が発生する。

本発明は、分析用デバイスが光軸に対して傾いた場合であっても、分析精度の低下を低減できる分析装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１記載の分析装置は、試料液をセットした分析用デバイスに、光源から出射した光を凸レンズを介してアパーチャーに照射し、前記アパーチャーを通過し、さらに前記分析用デバイスを透過した光を検出器で検出して前記試料液を分析する分析装置であって、前記光源と前記凸レンズと前記アパーチャーおよび前記検出器の各中心が単一の軸上に配置されており、前記光源の中心から出射して前記アパーチャーを通過した光の前記軸から片側への広がり角度：Ｂと、前記光源の中心から出射して前記アパーチャーの中心を通過した主光線：ａ１と前記光源の端から出射して前記アパーチャーの中心を通過した主光線：ｂ１との成す角度：Ａを、Ａ ＜ Ｂに設定したことを特徴とする。

本発明の請求項２記載の分析装置は、請求項１において、
ｄ ＜ （ＡＰｒ−ＯＢＪ／ＡＰｒ）・（ｎ_ｐ／（ｎ_ｐ−ｎ_ａ））・Ｒ
ＡＰｒ：アパーチャーの半径
ＯＢＪ：光源の中心から光源の端までの距離
ｄ：光源から凸レンズの先端までの距離
Ｒ：凸レンズの曲率半径
ｎ_ｐ：凸レンズの屈折率
ｎ_ａ：空気の屈折率
であることを特徴とする。

本発明の請求項３記載の分析装置は、請求項１において、前記光源と前記凸レンズとして、外形形状が砲弾型の発光ダイオード素子を使用したことを特徴とする。

本発明の分析装置によれば、Ａ＜Ｂにすることによって、分析用デバイスが光軸に対して傾いた場合の照度ムラを少なくでき、分析精度の低下を低減できる。

本発明の各実施の形態を図１〜図７に基づいて説明する。
図１〜図７は本発明の分析装置を示す。
図４は分析用デバイス１を分析用デバイス駆動装置のターンテーブル１０１にセットした状態を示し、図５（ａ）（ｂ）は分析用デバイス１の保護キャップ２を閉じた状態と開いた状態を示している。図６は分析用デバイス１のターンテーブル１０１と接触している面を上側にして分解した状態を示している。

分析用デバイス１は、試料液飛散防止用の保護キャップ２と、微細な凹凸形状を表面に有するマイクロチャネル構造が形成されたベース基板３と、ベース基板３の表面を覆うカバー基板４と、希釈液を保持している希釈ユニット５などの部品で構成されている。

ベース基板３とカバー基板４は、希釈ユニット５などを内部にセットした状態で接合され、この接合された状態のものに保護キャップ２が取り付けられている。保護キャップ２の片側は、ベース基板３とカバー基板４に形成された軸６ａ，６ｂに係合して開閉できるように枢支されている。

ベース基板３の上面に形成されている数個の凹部の開口をカバー基板４で覆うことによって、複数の収容エリアとその収容エリアの間を接続する流路などが形成されている（図６を参照）。収容エリアのうちの必要なものには各種の分析に必要な試薬が予め担持されている。

この分析用デバイス１は、注入口７から試料液、例えば血液などの溶液を採取することができ、保護キャップ２を閉めて分析装置のターンテーブル１０１にセットすることで、試料液の成分分析を行うことができる。８はターンテーブル１０１の回転中の軸心を示している。

分析用デバイス１は、注入口７から内部に取り込んだ試料液を、注入口７よりも内周にある前記軸心８を中心に分析用デバイス１を回転させて発生する遠心力と、分析用デバイス１内に設けられた毛細管流路の毛細管力を用いて、分析用デバイス１の内部で溶液を移送していくよう構成されており、保護キャップ２は注入口７の付近に付着した試料液が、分析中に遠心力によって外部へ飛散するのを防止するために取り付けられている。

この分析装置は、分析用デバイス１を透過した光を測定する光学的測定方法によって試料液の分析を行うため、ベース基板３およびカバー基板４の材料としては、ＰＣ、ＰＭＭＡ、ＡＳ、ＭＳなどの透明性が高い樹脂が望ましい。ベース基板３とカバー基板４との接合は、前記収容エリアに担持された試薬の反応活性に影響を与えにくい方法が望ましく、接合時に反応性のガスや溶剤が出にくい超音波溶着やレーザー溶着などが望ましい。

図４において、分析用デバイス１は、ターンテーブル１０１の上に、ベース基板３とカバー基板４のうちのカバー基板４の側を下にして装着され、開閉蓋１０３を閉じた状態で分析が行われる。図１において開閉蓋１０３は支持軸１１４の回りに回動して開閉できる。

ターンテーブル１０１の上面には溝１０２が形成されており、分析用デバイス１をターンテーブル１０１にセットした状態では分析用デバイス１のカバー基板４に形成された係合部１５と保護キャップ２に形成された係合部１６が溝１０２に係合してこれを収容している。

図７に示すように、この分析装置１００は、ターンテーブル１０１を回転させるための回転駆動手段１０６と、分析用デバイス１内の溶液を光学的に測定する光学測定手段１０９と、ターンテーブル１０１の回転速度や回転方向、および光学測定手段の測定タイミングなどを制御する制御手段１０８と、光学測定手段１０９によって得られた信号を処理し測定結果を演算する演算部１１０と、演算部１１０で得られた結果を表示する表示部１１１とで構成される。

回転駆動手段１０６は、ターンテーブル１０１を介して分析用デバイス１を軸心８の回りに任意の方向に所定の回転速度で回転させるだけではなく、所定の停止位置で軸心８を中心に所定の振幅範囲、周期で左右に往復運動をさせて分析用デバイス１を揺動させることができるように構成されている。ここでは回転駆動手段１０６としてモータ１０４を使用してターンテーブル１０１を軸心８の回りに回転させている。

なお、ここでは分析用デバイス１の回転動作と揺動動作を１つの回転駆動手段１０６で行う構成としているが、回転駆動手段１０６の負荷を軽減させるために、揺動動作用の駆動手段を別に設けてもかまわない。具体的には、ターンテーブル１０１の上にセットした分析用デバイス１に対して、モータ１０４とは別に用意したバイブレーションモータなどの加震手段を、直接または間接的に接触させることによって分析用デバイス１を揺動させて分析用デバイス１内の溶液に慣性力を付与する。

光学測定手段１０９には、分析用デバイス１の測定部に光を照射する発光ダイオード１１２と、発光ダイオード１１２から照射された光のうち、分析用デバイス１を通過した透過光の光量を検出する検出器としてのフォトディテクタ１１３とを備えている。

開閉蓋１０３には、保持板１１５を介してクランパ１１６が保持されている。また、開閉蓋１０３には、クランパ１１６を押圧する付勢手段としての板バネ１１７が設けられており、ターンテーブル１０１に分析用デバイス１をセットした後に、ターンテーブル１０１の回転させる前に分析装置の開閉蓋１０３を図４に実線で示すように閉じると、ターンテーブル１０１の回転の軸心８の軸上で板バネ１１７がクランパ１１６に接触して、板バネ１１７の付勢力によってクランパ１１６がターンテーブル１０１の側に押し出されて、クランパ１１６とターンテーブル１０１とで分析用デバイス１を挟持して、分析用デバイス１と一体にターンテーブル１０１が高速回転する。

図１（ａ）は光学測定手段１０９の詳細を示している。
発光ダイオード１１２としては、パッケージの先端に凸レンズ１１２ｂが形成されている一般的な砲弾型発光ダイオード（ Lamp Type LED ）が使用されている。１１２ａは光源としてのＬＥＤチップで、背面には反射カップ（図示せず）が設けられている。発光ダイオード１１２と検出器としてのフォトディテクタ１１３との間には、分析装置にセットされた分析用デバイス１と発光ダイオード１１２の間に第１のアパーチャーＡＰ１が配置され、分析用デバイス１とフォトディテクタ１１３の間に第２のアパーチャーＡＰ２が配置されている。発光ダイオード１１２と第１のアパーチャーＡＰ１と第２のアパーチャーＡＰ２およびフォトディテクタ１１３は、単一の軸６５の上に配置されている。

図１（ｂ）に示すように、ＬＥＤチップ１１２ａの中心から出射した光は、第１のアパーチャーＡＰ１の孔の中心６６を通過し、さらに第２のアパーチャーＡＰ２の孔６９を通過してフォトディテクタ１１３で検出される。

光はＬＥＤチップ１１２ａの中心以外からも出ている。ＬＥＤチップ１１２ａの中心以外からも出ている光の代表例として、ＬＥＤチップ１１２ａの前記軸６５から距離：ＯＢＪだけ離れた端６７から出射した光を記載したものが図１（ｃ）である。ＬＥＤチップ１１２ａの端６７以外からも実際には光が出ている。

図４に示したようにターンテーブル１０１とクランパ１１６とで挟持して回転駆動中の分析用デバイス１の姿勢が軸６５に対して傾きθが発生して光軸シフト５６が発生しても、フォトディテクタ１１３に達する照度ムラを少なくできる条件を検討すると、ＬＥＤチップ１１２ａの中心から出射して第１のアパーチャーＡＰ１の中心６６を通過した主光線：ａ１とＬＥＤチップ１１２ａの端から出射して第１のアパーチャーＡＰ１の中心６６を通過した主光線：ｂ１との成す角度：Ａ、ＬＥＤチップ１１２ａの中心から出射して第１のアパーチャーＡＰ１を通過した光の前記軸６５から片側への広がり角度：Ｂとした場合に、
Ａ ＜ Ｂ
が好適であることが分かった。

第１のアパーチャーＡＰ１の半径：ＡＰｒ，ＬＥＤチップ１１２ａの中心から端までの距離：ＯＢＪ，ＬＥＤチップ１１２ａから凸レンズ１１２ｂの先端までの距離：ｄ，凸レンズ１１２ｂの曲率半径：Ｒ，凸レンズ１１２ｂの屈折率：ｎｐ，空気の屈折率：ｎａとした場合に、Ａ＜Ｂになる条件は、
ｄ ＜ （ＡＰｒ−ＯＢＪ／ＡＰｒ）・（ｎ_ｐ／（ｎ_ｐ−ｎ_ａ））・Ｒ
であって、曲率半径：Ｒと距離：ｄにおける光軸シフトの許容値〔ｍｍ〕を求めた。
その結果が図２である。

ここで、光軸シフトの許容値が分析用デバイス１の傾きによる光軸シフト量以上を、太線で囲んで示している。図２の表をグラフで現したものが図３である。
今回の実際の条件式は、
ｄ ＜ １．７２８６３５・Ｒ
であって、図３中の破線６８がこの条件の境界線で、破線６８を境界に右下側の領域が条件に適合する部分である。

これを満足する距離：ｄと曲率半径：Ｒの発光ダイオード１１２を使用するだけで、分析用デバイス１の傾きによる光軸シフト量が発生してもフォトディテクタ１１３に達する照度ムラを少なくでき、分析精度の低下を低減できる。

図９（ａ）（ｂ）は図８の比較例を示す。
図９（ａ）は発光ダイオード１１２として指向性の高い凸レンズ形状の砲弾型パッケージのものを使用した場合に、ＬＥＤチップ１１２ａの中心から出射して第１のアパーチャーＡＰ１を通過した光の前記軸６５から片側への広がり角度：Ｂを示し、図９（ｂ）は発光ダイオード１１２として指向性の高い凸レンズ形状の砲弾型パッケージのものを使用した場合の、ＬＥＤチップ１１２ａの中心から出射して第１のアパーチャーＡＰ１の中心６６を通過した主光線：ａ１とＬＥＤチップ１１２ａの端から出射して第１のアパーチャーＡＰ１の中心６６を通過した主光線：ｂ１との成す角度：Ａと、前記角度Ｂであって、
Ａ ＞ Ｂ
であった。

上記の実施の形態では、光源としてのＬＥＤチップ１１２ａと凸レンズ１１２ｂが形成されている砲弾型発光ダイオード（ Lamp Type LED ）を使用したが、表面実装型発光ダイオード（ SMD Type LED ）を光源として採用し、表面実装型発光ダイオードとは別体の凸レンズを設けても同様に構成することが出来る。

本発明は、光透過形の各種分析装置の分析精度の向上に寄与できる。

本発明の実施の形態の光学測定手段の説明図 同実施の形態のシミュレーション結果とその説明図 同実施の形態のシミュレーション結果の説明図 同実施の形態の分析用デバイスを分析装置にセットした状態の断面図 同実施の形態の分析用デバイスの保護キャップを閉じた状態と開いた状態の外観斜視図 同実施の形態の分析用デバイスの分解斜視図 同実施の形態の分析装置の信号処理回路の構成図 従来の分析装置の光路の説明図 従来の分析装置の光路の詳細な説明図

符号の説明

ＡＰ１ 第１のアパーチャー
１ 分析用デバイス
８ ターンテーブル１０１の回転中の軸心
５６ 光軸シフト
６５ 軸
６６ 第１のアパーチャーＡＰ１の中心
１００ 分析装置
１０１ ターンテーブル
１０４ モータ（回転駆動手段）
１０６ 回転駆動手段
１０８ 制御手段
１０９ 光学測定手段
１１２ 発光ダイオード
１１２ａ ＬＥＤチップ（光源）
１１２ｂ 凸レンズ
１１３ フォトディテクタ（検出器）
ａ１ ＬＥＤチップ１１２ａの中心から出射して第１のアパーチャーＡＰ１の中心６６を通過した主光線
ｂ１ ＬＥＤチップ１１２ａの端から出射して第１のアパーチャーＡＰ１の中心６６を通過した主光線
Ａ 主光線：ａ１と主光線：ｂ１との成す角度
Ｂ ＬＥＤチップ１１２ａの中心から出射して第１のアパーチャーＡＰ１を通過した光の軸６５から片側への広がり角度

Claims (3)

1. 試料液をセットした分析用デバイスに、光源から出射した光を凸レンズを介してアパーチャーに照射し、前記アパーチャーを通過し、さらに前記分析用デバイスを透過した光を検出器で検出して前記試料液を分析する分析装置であって、
   前記光源と前記凸レンズと前記第１のアパーチャーおよび前記検出器の各中心が単一の軸上に配置されており、
   前記光源の中心から出射して前記アパーチャーを通過した光の前記軸から片側への広がり角度：Ｂと、前記光源の中心から出射して前記アパーチャーの中心を通過した主光線：ａ１と前記光源の端から出射して前記アパーチャーの中心を通過した主光線：ｂ１との成す角度：Ａを、
   Ａ ＜ Ｂ
   に設定した
   分析装置。
2. ｄ ＜ （ＡＰｒ−ＯＢＪ／ＡＰｒ）・（ｎ_ｐ／（ｎ_ｐ−ｎ_ａ））・Ｒ
   ＡＰｒ：アパーチャーの半径
   ＯＢＪ：光源の中心から光源の端までの距離
   ｄ：光源から凸レンズの先端までの距離
   Ｒ：凸レンズの曲率半径
   ｎ_ｐ：凸レンズの屈折率
   ｎ_ａ：空気の屈折率
   である請求項１記載の分析装置。
3. 前記光源と前記凸レンズとして、外形形状が砲弾型の発光ダイオード素子を使用した
   請求項１記載の分析装置。

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