JP2012200207A - 溶液供給器具および溶液供給方法 - Google Patents

Abstract

【課題】容易にかつ効率的に対象物に光を照射しながら溶液を供給できる溶液供給器具および溶液供給方法を提供する。
【解決手段】コア２１とコア２１を囲繞するとともに複数の空孔２２が形成されたクラッド２３とを有する第１光ファイバ２と、空孔２２が接続可能に構成されるとともに空孔２２へ溶液１２を供給可能な溶液流路３が形成された基部４と、コア５１およびコア５１を囲繞するクラッド５２を有し第１光ファイバ２の一端部２ａと溶液流路３を介して端面どうしが対向するとともに第１光ファイバ２と同一軸線上に配設された第２光ファイバ５と、を備える。第２光ファイバ５を伝播した光Ｌが、溶液流路３を通過して第１光ファイバ２へ伝播可能に構成されるとともに、空孔２２に空孔２２の軸方向一端部から溶液１２が供給され、空孔２２の軸方向他端部から吐出された溶液１２が神経細胞（対象物）１１へ供給可能に構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、対象物に光を照射しながら溶液を供給する溶液供給器具、および、対象物に光を照射しながら溶液を供給する溶液供給方法に関する。

神経細胞は、電気信号や化学信号を介して細胞内あるいは細胞間の情報伝達を行っている。この神経細胞の機能を調べる際には、化学物質を投与したときの膜電位やイオン濃度の変化等の神経細胞の応答を、神経細胞内に導入された膜電位感受性色素やイオン指示薬の蛍光強度変化として光学的計測を行う方法が知られている（例えば、非特許文献１参照）。

神経細胞活動を励起するための化学物質の投与は、神経細胞の周囲の溶液を化学物質が添加された溶液に交換したり、神経細胞近傍に化学物質が添加された溶液を滴下したりして行われている。また、神経細胞の光学的計測は、レンズや光ファイバを介して励起光を神経細胞に照射し、その蛍光像を取得して行われている。このとき、レンズは、広範囲にわたって励起光を照射するのに適しており、光ファイバは、局所的に励起光を照射することに適している。

ブラッドリー・Ｊ．ベーカー他（Ｂｒａｄｌｅｙ．Ｊ．Ｂａｋｅｒ， ｅｔ ａｌ．）著， 「イメージング・ブレイン・アクティビティ・ウィズ・ボルテージ・アンド・カルシウム・センシティブ・ダイズ（Ｉｍａｇｉｎｇ Ｂｒａｉｎ Ａｃｔｉｖｉｔｙ Ｗｉｔｈ Ｖｏｌｔａｇｅ− ａｎｄ Ｃａｌｃｉｕｍ−Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｙｅｓ）」， セルラー・アンド・モレキュラー・ニューロバイオロジーＶｏｌ．２５，Ｎｏ．２（Ｃｅｌｌｕｌａｒ ａｎｄ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｎｅｕｒｏｂｉｏｌｏｇｙ，Ｖｏｌ．２５，Ｎｏ．２），２００５年，ｐ２４５−２８２．

しかしながら、神経細胞（対象物）に化学物質が添加された溶液を供給するとともに、神経細胞に光を照射するには、神経細胞に溶液を供給するための器具と、神経細胞に光を照射する器具を扱う必要があり、準備や作業が煩雑である。このため、容易にかつ効率的に神経細胞に光を照射しながら溶液を供給できる溶液供給器具および溶液供給方法が望まれている。

本発明は、容易にかつ効率的に対象物に光を照射しながら溶液を供給できる溶液供給器具および溶液供給方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る溶液供給器具は、軸方向へ延在するコアと該コアを囲繞するとともに軸方向へ貫通する複数の空孔が周方向へ互いに間隔をあけるように形成されたクラッドとを有する第１光ファイバと、前記空孔の軸方向一端部が接続可能に構成されるとともに前記空孔へ溶液を供給可能な溶液流路が形成された基部と、軸方向へ延在するコアおよび該コアを囲繞するクラッドを有し前記第１光ファイバの一端部と前記溶液流路を介して端面どうしが対向するとともに前記第１光ファイバと同一軸線上に配設された第２光ファイバと、を備え、前記第２光ファイバを伝播した光が、前記溶液流路を通過して前記第１光ファイバへ伝播可能に構成されるとともに、前記空孔に、該空孔の軸方向一端部から前記溶液が供給され、前記空孔の軸方向他端部から吐出された前記溶液が対象物へ供給可能に構成されていることを特徴とする。

本発明では、溶液流路に溶液を供給し第１光ファイバの空孔に溶液を供給するとともに第２光ファイバに光を入射させて第２光ファイバを伝播した光を第１光ファイバに伝播させることによって、対象物に光を照射しながら溶液を供給することができる。
そして、第１光ファイバを操作することによって、対象物への溶液の供給および光の照射を行うことができるため、容易にかつ効率的に作業を行うことができる。

また、本発明に係る溶液供給器具では、前記第１光ファイバと前記第２光ファイバとの端面どうしの軸方向の間隔は、２μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。
このように構成されることにより、溶液流路から第１光ファイバへの溶液の供給と、第２光ファイバから第１光ファイバへの光の伝播を効率よく行うことができる。

また、本発明に係る溶液供給器具では、前記基部に、前記溶液流路に対して前記第１光ファイバおよび前記第２光ファイバを所定の位置に支持可能な支持部が形成されていることが好ましい。
このように構成されることにより、第１光ファイバおよび第２光ファイバを溶液流路に対して適切な位置に容易に設置することができる。

また、本発明に係る溶液供給方法では、対象物へ溶液を供給する溶液供給方法であって、上記に記載の溶液供給器具を用い、前記第２光ファイバを伝播した光を前記第１光ファイバに光を伝播させるとともに、前記溶液流路に前記溶液を供給することで前記対象物へ前記溶液を供給することを特徴とする。
本発明では、容易にかつ効率的に対象物に光を照射しながら溶液を供給することができる。

本発明では、溶液流路に溶液を供給し第１光ファイバの空孔に溶液を供給するとともに第２光ファイバに光を入射させて第２光ファイバを伝播した光を第１光ファイバに伝播させることによって、対象物に光を照射しながら溶液を供給することができる。
そして、同一の第１光ファイバを操作することによって、対象物への溶液の供給および光の照射を行うことができるため、容易にかつ効率的に作業を行うことができる。

（ａ）は本発明の実施形態による光センサヘッド（薬液供給器具）の一例を示す図、（ｂ）は第１光ファイバを示す図、（ｃ）は第２光ファイバを示す図である。 （ａ）は下部シリコン層の上面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図である。 第１光ファイバおよび第２光ファイバが設置された下部シリコン層の斜視図である。 第１光ファイバおよび第２光ファイバが設置された下部シリコン層および樹脂層の斜視図である。 （ａ）は上部シリコン層の上面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図である。

以下、本発明の実施形態による光センサヘッド（溶液供給器具）について、図１乃至図５に基づいて説明する。
図１（ａ）に示す本実施形態による光センサヘッド１は、神経細胞（対象物）１１に光Ｌを照射しながらその神経細胞１１に化学物質が添加された溶液１２を供給するために使用されている。

光センサヘッド１は、図１（ｂ）に示すような軸方向へ延在するコア２１とコア２１を囲繞するとともに軸方向へ貫通する複数の空孔２２が周方向へ互いに間隔をあけるように形成されたクラッド２３とを有する第１光ファイバ２と、図１（ａ）に戻り空孔２２の軸方向一端部が接続可能に構成されるとともに空孔２２へ溶液１２を供給可能な溶液流路３が形成された基部４と、図１（ｃ）に示すような軸方向へ延在するコア５１およびコア５１を囲繞するクラッド５２を有し第１光ファイバ２の一端部２ａと溶液流路３を介して端面どうしが対向するとともに第１光ファイバ２と同一軸線上に配設された第２光ファイバ５と、を備えている。

図１（ａ）および（ｂ）に示すように、第１光ファイバ２は、ホーリーファイバと呼ばれる公知の光ファイバの一種で、クラッド２３に複数の空孔２２が形成されていることにより、曲げ損失特性や機械的特性に優れている。本実施形態では、クラッド２３に４つの空孔２２が形成されている。
そして、第１光ファイバ２は、一端部２ａが基部４に支持されるとともに、溶液流路３に接続されている。そして、第１光ファイバ２は、溶液流路３と接続された一端部２ａ側から空孔２２（図１（ｂ）参照）へ溶液１２が流入可能に構成されているとともに、空孔２２を通過した溶液１２が第１光ファイバ２の他端部２ｂ側から吐出可能に構成されている。そして、第１光ファイバ２の他端部２ｂが、神経細胞１１の近傍に設置されることにより、第１光ファイバ２の他端部２ｂから吐出された溶液１２を神経細胞１１へ供給可能に構成されている。

図１（ａ）および（ｃ）に示すように、第２光ファイバ５は、第１光ファイバ２と異なり、コア２１を囲繞するクラッド２３に空孔２２（図１（ｂ）参照）が形成されていない。
そして、図１（ａ）に示すように、第２光ファイバ５は、第１光ファイバ２と対向する一端部５ａが基部４に支持されているとともに、溶液流路３に接続されている。

これらの第１光ファイバ２および第２光ファイバ５は、それぞれ一方の端部から入射された光Ｌが他方の端部へ伝播するように構成されている。
そして、他端部５ｂから第２光ファイバ５へ光Ｌが入射されると、その光Ｌは、第２光ファイバ５を伝播するとともに第２光ファイバ５の一端部５ａから放たれ、溶液流路３を通過して第１光ファイバ２の一端部２ａに入射するように構成されている。このとき、溶液流路３を通過する光Ｌは、溶液流路３を流通する溶液１２を通過するように構成されている。
これにより、第１光ファイバ２へ入射された光Ｌが第１光ファイバ２を伝播して他端部２ｂから光を放つことになる。そして、第１光ファイバ２は、その他端部２ｂが神経細胞１１の近傍に配されているため、神経細胞１１に光Ｌを照射することができる。

基部４は、下側から上側へ順に配列された下部シリコン層４１、樹脂層４２、および、上部シリコン層４３を備える３層構造に形成されている。また、基部４は、その外形が略直方体状に形成されている。

溶液流路３は、図１（ａ）、図２および図３に示すように、下部シリコン層４１に形成された水平方向に所定の長さに延びて上方に開口した溝部４１ａと、図１および図３に示すように、樹脂層４２に形成され下部シリコン層４１の溝部４１ａの長さ方向の両端部４１ｂ，４１ｃと重なる位置でそれぞれ上下方向に貫通する貫通孔４２ａ，４２ｂと、図１（ａ）および図５に示すように、上部シリコン層４３に形成され樹脂層４２の貫通孔４２ａ，４２ｂ（図１（ａ）参照）と重なる位置でそれぞれ上下方向に貫通する貫通孔４３ａ，４３ｂと、から構成されている。

ここで、本実施形態では、溶液流路３の溝部４１ａの長さ方向に直交する方向に延在するように、第１光ファイバ２および第２光ファイバ５が設置されている。また、溶液流路３の溝部４１ａは、長さ方向に直交する方向の寸法ｄ（図２（ａ）参照）が２μｍ以上５０μｍ以下に形成されている。
そして、第１光ファイバ２と第２光ファイバ５とは、溶液流路３を介して対向しており、第１光ファイバ２と第２光ファイバ５との端面どうしの軸方向の間隔が上述した寸法ｄと同じく２μｍ以上５０μｍ以下となっている。

また、本実施形態では、上部シリコン層４３の一方の貫通孔４３ａに溶液注入用チューブ４４ａが接続され、他方の貫通孔４３ｂに溶液排出用チューブ４４ｂが接続されている。溶液排出用チューブ４４ｂは閉塞可能に構成されている。

そして、溶液注入用チューブ４４ａへ溶液１２を注入すると、溶液１２は、上部シリコン層４３に形成された一方の貫通孔４３ａおよび樹脂層４２に形成された一方の貫通孔４２ａを通過して、下部シリコン層４１に形成された溝部４１ａへ溝部４１ａの長さ方向の一方の端部４１ｂから流入する。
そして、さらに溶液１２を注入し続けると、溶液１２は、溝部４１ａの他方の端部４１ｃから樹脂層４２の他方の貫通孔４２ｂおよび上部シリコン層４３の他方の貫通孔４３ｂを通過して溶液排出用チューブ４４ｂを介して基部４の外方へ流出するように構成されている。
なお、溶液排出用チューブ４４ｂが閉塞されているときは、溶液排出用チューブ４４ｂで溶液１２が止まるように構成されている。
そして、下部シリコン層４１の溝部４１ａは、第１光ファイバ２の空孔２２と連通し、溝部４１ａから第１光ファイバ２の空孔２２へ溶液１２が流入可能に構成されている。

また、基部４には、第１光ファイバ２の一端部２ａを溶液流路３に対して所定の位置に支持する第１支持部（支持部）４５と、第２光ファイバ５の一端部５ａ側を溶液流路３に対して所定の位置し支持する第２支持部（支持部）４６とが形成されている。

図４に示すように、第１支持部４５は、下部シリコン層４１に上方に開口するように形成されるとともに下部シリコン層４１の溝部４１ａと接続された第１下側溝部４５ａと、樹脂層４２に下方に開口するように形成され第１下側溝部４５ａの上側に重なる第１上側溝部４５ｂとを備えている。
また、第１下側溝部４５ａおよび第１上側溝部４５ｂの内周面は、それぞれ半円弧面状に形成され、第１下側溝部４５ａおよび第１上側溝部４５ｂで、円筒状の空部を形成している。そして、この円筒状の空部は、第１光ファイバ２の一端部２ａ側が嵌合可能で、第１光ファイバ２の一端部２ａを支持可能に構成されている。

また、第２支持部４６は、下部シリコン層４１に上方に開口するように形成されるとともに下部シリコン層４１の溝部４１ａと接続された第２下側溝部４６ａと、樹脂層４２に下方に開口するように形成され第２下側溝部４６ａの上側に重なる第２上側溝部４６ｂとを備えている。
また、第２下側溝部４６ａおよび第２上側溝部４６ｂの内周面は、それぞれ半円弧面状に形成され、第２下側溝部４６ａおよび第２上側溝部４６ｂで、円筒状の空部を形成している。そして、この円筒状の空部は、第２光ファイバ５の一端部５ａ側が嵌合可能で、第２光ファイバ５の一端部５ａを支持可能に構成されている。

また、樹脂層４２には、第１上側溝部４５ｂと第２上側溝部４６ｂとを接続可能な内周面が半円弧面状の接続溝部４７が形成されている。
この接続溝部４７は、下部シリコン層４１の溝部４１ａの第１光ファイバ２および第２光ファイバ５が接続されている箇所の上部に位置している。そして、樹脂層４２に接続溝部４７が形成されていることにより、第１光ファイバ２の一端部２ａ側の端面と、第２光ファイバ５の一端部５ａ側の端面が樹脂層４２に覆われない構成となっている。
これにより、第１光ファイバ２の全ての空孔２２へ溶液１２が流入可能となるとともに、第２光ファイバ５から第１光ファイバ２への光Ｌの伝播を確実なものとすることができる。

次に、上述した光センサヘッド１の製作方法について説明する。
まず、基部４を構成する下部シリコン層４１、樹脂層４２、上部シリコン層４３に、それぞれ溶液流路３となる溝部４１ａおよび貫通孔４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂを形成する。また、下部シリコン層４１、樹脂層４２に、第１支持部４５となる第１下側溝部４５ａ，第１上側溝部４５ｂと、第２支持部４６となる第２下側溝部４６ａ，第２上側溝部４６ｂと、第１上側溝部４５ｂと第２上側溝部４６ｂとを接続溝部４７とを形成する。

続いて、図３に示すように、下部シリコン層４１を設置し、下部シリコン層４１の第１下側溝部４５ａに第１光ファイバ２の下側を嵌合させ、第２下側溝部４６ａに第２光ファイバ５の下側を嵌合させる。
このとき、第１光ファイバ２の一端部２ａ側の端面と第２光ファイバ５の一端部５ａ側の端面とを下部シリコン層４１の溝部４１ａを介して対向させる。

続いて、図４に示すように、下部シリコン層４１の上に樹脂層４２を重ねて設置する。そして、第１光ファイバ２の上側に第１上側溝部４５ｂを嵌合させ、第２光ファイバ５の上側に第２上側溝部４６ｂを嵌合させる。
このとき、下部シリコン層４１の溝部４１ａの両端部４１ｂ，４１ｃの上部に、樹脂層４２の貫通孔４２ａ，４２ｂを位置させて、溝部４１ａと貫通孔４２ａ，４２ｂとを連通させる。

続いて、図１（ａ）に示すように、樹脂層４２の上に上部シリコン層４３を重ねて設置する。
このとき、樹脂層４２の貫通孔４２ａ，４２ｂの上部に上部シリコン層４３の貫通孔４３ａ，４３ｂを位置させて、樹脂層４２の貫通孔４２ａ，４２ｂと上部シリコン層４３の貫通孔４３ａ，４３ｂを連通させる。これにより、基部４が完成し、溶液流路３が形成される。

続いて、上部シリコン層４３の一方の貫通孔４３ａに溶液注入用チューブ４４ａを設置するとともに、上部シリコン層４３の他方の貫通孔４３ｂに溶液排出用チューブ４４ｂを設置する。
このようにして光センサヘッド１が完成する。

次に、上述した光センサヘッド１を用いて神経細胞１１へ溶液１２を供給する溶液供給方法について説明する。
まず、溶液注入用チューブ４４ａに溶液１２を供給し、溶液流路３に溶液１２を流通させる。このとき、溶液排出用チューブ４４ｂを封止しておく。
溶液流路３にさらに溶液１２を供給して、溶液流路３内の溶液１２に圧力をかけ、溶液流路３から第１光ファイバ２の一端部２ａ側から空孔２２へ溶液１２を流入させる。
そして、空孔２２内の溶液１２を第１光ファイバ２の他端部２ｂ側から吐出させ、神経細胞１１へ溶液１２を供給する。

このとき、神経細胞１１へ溶液１２を供給するとともに、第２光ファイバ５の他端部５ｂ側から第２光ファイバ５のコア５１へ光Ｌを入射させる。
これにより、第２光ファイバ５のコア５１へ入射した光Ｌは、コア５１を伝播し、第２光ファイバ５の一端部５ａ側から放たれる。そして、第２光ファイバ５のコア５１から放たれた光Ｌは、溶液流路３の溶液１２を通過して、対向する第１光ファイバ２のコア２１に入射する。そして、第１光ファイバ２のコア２１へ入射した光Ｌは、コア２１を伝播し、第１光ファイバ２の他端部２ｂ側から放たれて神経細胞１１を照射する。

次に、上述した光センサヘッド１の作用効果について図面を用いて説明する。
本実施形態による光センサヘッド１によれば、第１光ファイバ２から神経細胞１１へ溶液１２を供給するときに、第２光ファイバ５へ光Ｌを入射すると、第２光ファイバ５を伝播した光Ｌが第１光ファイバ２へ伝達し、その光Ｌが第１光ファイバ２を伝播して、神経細胞１１を照射することができるため、容易に神経細胞１１に光Ｌを照射しながら溶液１２を供給することができる。

また、第１光ファイバ２は、第１支持部４５に支持され、第２光ファイバ５は、第２支持部４６に支持されるため、第１光ファイバ２および第２光ファイバ５を溶液流路３に対して所定の位置に容易に設置することができる。
このため、第１光ファイバ２や第２光ファイバ５に対して特別な加工技術が不要であるという利点がある。そして、第１光ファイバ２および第２光ファイバ５の端面形成は、市販のファイバクリーバなどを用いれば簡易に行なうことができるし、第１光ファイバ２および第２光ファイバ５の固定も、第１支持部４５および第２支持部４６によって簡易に行うことができる。

また、本実施形態による光センサヘッド１によれば、第１光ファイバ２および第２光ファイバ５を溶液流路３へ同時に接続することができる。通常、光源や測定器の入出力ファイバは、第１光ファイバ２のようなホーリーファイバではなく、第２光ファイバ５のような通信用ファイバであるため、光源や測定器と、溶液注入用のホーリーファイバを接続できるという効果もある。

また、本実施形態による光センサヘッド１によれば、溶液流路３の溝部４１ａは、長さ方向に直交する方向の寸法ｄが２μｍ以上５０μｍ以下に形成されているため、溝部４１ａから第１光ファイバ２への溶液１２の流入と、第２光ファイバ５から第１光ファイバ２とへの光Ｌの伝播とを効率的に行うことができる。

以上、本発明による光センサヘッド（溶液供給器具）１および溶液供給方法の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、上述した実施形態では、基部４は、外形が略直方体の３層構造に形成されているが、これ以外の形状に形成されていてもよい。
また、上述した実施形態では、基部４は、下部シリコン層４１、樹脂層４２および上部シリコン層４３から構成されているが、シリコンや樹脂以外の材料から形成されていてもよい。
また、溶液流路３は、溶液１２が流通可能で第１光ファイバ２の空孔２２へ溶液１２を注入可能であるとともに、第２光ファイバ５から放たれた光を第１光ファイバ２へ伝播可能な構成であれは、上述した実施形態以外の形態としてもよい。
また、上述した実施形態では、溶液流路３の溝部４１と第１光ファイバ２および第２光ファイバ５とが直交する方向に設置されているが、直交する方向に設置されていなくてもよい。
また、上述した実施形態では、神経細胞１１へ光Ｌを照射しながら溶液１２を供給しているが、神経細胞１１以外の対象物へ溶液１２を供給するときに、光センサヘッド１を使用してもよい。
また、上述した実施形態では、溶液流路３の溝部４１ａの長さ方向に直交する方向の寸法ｄは、２μｍ以上５０μｍ以下としているが、この寸法ｄは、２μｍ未満でもよく、５０μｍを超えてもよい。要は、溶液流路３から第１光ファイバ２への溶液１２の流入と、第２光ファイバ５から第１光ファイバ２とへの光Ｌの伝播とが可能であればよい。

１ 光センサヘッド（溶液供給器具）
２ 第１光ファイバ
２ａ 一端部
２ｂ 他端部
３ 溶液流路
４ 基部
５ 第２光ファイバ
５ａ 一端部
５ｂ 他端部
１１ 神経細胞（対象物）
１２ 溶液
２１，５１ コア
２２ 空孔
２３，５２ クラッド
４５ 第１支持部（支持部）
４６ 第２支持部（支持部）

Claims (4)

1. 軸方向へ延在するコアと該コアを囲繞するとともに軸方向へ貫通する複数の空孔が周方向へ互いに間隔をあけるように形成されたクラッドとを有する第１光ファイバと、
   前記空孔の軸方向一端部が接続可能に構成されるとともに前記空孔へ溶液を供給可能な溶液流路が形成された基部と、
   軸方向へ延在するコアおよび該コアを囲繞するクラッドを有し前記第１光ファイバの一端部と前記溶液流路を介して端面どうしが対向するとともに前記第１光ファイバと同一軸線上に配設された第２光ファイバと、を備え、
   前記第２光ファイバを伝播した光が、前記溶液流路を通過して前記第１光ファイバへ伝播可能に構成されるとともに、
   前記空孔に、該空孔の軸方向一端部から前記溶液が供給され、前記空孔の軸方向他端部から吐出された前記溶液が対象物へ供給可能に構成されていることを特徴とする溶液供給器具。
2. 前記第１光ファイバと前記第２光ファイバとの端面どうしの軸方向の間隔は、２μｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の溶液供給器具。
3. 前記基部に、前記溶液流路に対して前記第１光ファイバおよび前記第２光ファイバを所定の位置に支持可能な支持部が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の溶液供給器具。
4. 対象物へ溶液を供給する溶液供給方法であって、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載の溶液供給器具を用い、前記第２光ファイバを伝播した光を前記第１光ファイバに光を伝播させるとともに、前記溶液流路に前記溶液を供給することで前記対象物へ前記溶液を供給することを特徴とする溶液供給方法。

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