JP2021124329A

JP2021124329A - 吸光度計

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Publication number: JP2021124329A
Application number: JP2020016802A
Authority: JP
Inventors: 金市森田; Kinichi Morita
Original assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Current assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Priority date: 2020-02-04
Filing date: 2020-02-04
Publication date: 2021-08-30

Abstract

【課題】液体培地の測定光をより正確に取得することのできる吸光度計を実現する。【解決手段】吸光度計の一態様は、液体培地が入った透明な培養容器が載置される容器載置部と、前記培養容器に向けて照射される放射光を放出する光照射部と、前記放射光が前記液体培地を透過して戻ってきた透過光を受光する、前記培養容器に対し、前記光照射部と同じ側に位置した受光部と、前記培養容器に対し、前記光照射部および前記受光部とは逆側に位置し、前記液体培地を透過した前記放射光を前記受光部側に戻すと共に、当該放射光の進行方向を広げる拡散素子と、前記受光部と前記培養容器との間に位置し、当該受光部と当該培養容器との対向方向に延び、光を透過させる透過路と、前記透過路を包囲し、当該透過路から逸れた光を吸収する包囲部材と、を備える。【選択図】図４

Description

本発明は、吸光度計に関する。

従来、インキュベータ内で細胞を培養しながら、培養細胞の状態を把握したいという要望がある。このため、通常は培養溶液を必要に応じてインキュベータから取り出し、顕微鏡で観察するということが行われている。さらには、培養細胞の状態を示すものとして培地のｐＨも重要である。

培地のｐＨは、しばしばフェノールレッドが添加された培地の色を人間が視覚的に確認することにより判断される。培地のｐＨを定量的に確認する方法として、例えば特許文献１には、培養容器に向けて複数色の光を射出する照明ユニットと、培地を透過した後に反射された光を検出する検出ユニットとを備えた計測装置が記載されている。この計測装置上に培養容器が重ねられて計測が行われる。

特開２０１９−１０６９４５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の従来例で培養容器の外部から培地の色を正確に測定することは難しい。

細胞培養フラスコのような培養容器の内部に液体培地を収容して細胞を培養する場合、容器の内容積全てに液体培地を充填するように使用することは無く、ある程度の充填率で液体培地が収容される。すると、この液体培地を水平方向に載置した際には、容器の内部に液面が発生し、またその液面の高さもまちまちとなる。

一般に液体培地の大部分は水であり、水の屈折率は１．３程度である。これに対し、液面より上の空間部分は、例えばインキュベータ内ならほとんどが二酸化炭素であり、ほぼ１とみなすことができるので、液面で光の屈折が生じる。

上記従来例で培養容器の底から斜めに照射され、液体培地を透過した後、培養容器の蓋で反射された光は、液面高さが常に一定で既知であれば既知の位置に到達するため、反射光を検出するセンサの位置を予め定めることができる。しかし、上述したように、実際は液面高さが不定であるので、反射光がセンサ光学系にうまく入射しない。

また、培地を通過後に反射した光を検出するセンサには、培地を通過した光以外の光がノイズとして入射する虞があり、正しい測定値を取得することができない。このようなノイズ光が周囲の環境により変化する場合は測定値の誤差がさらに増えることになる。
そうすると、上記従来例にかかる技術では、培地の吸光度を正しく測定できないといった課題がある。

そこで、本発明は、透明な培養容器の内部に収容された液体培地に対して外部から光を照射してその吸光度を測定する吸光度計において、液体培地の測定光をより正確に取得することのできる吸光度計を実現することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る吸光度計の一態様は、液体培地が入った透明な培養容器が載置される容器載置部と、前記培養容器に向けて照射される放射光を放出する光照射部と、前記放射光が前記液体培地を透過して戻ってきた透過光を受光する、前記培養容器に対し、前記光照射部と同じ側に位置した受光部と、前記培養容器に対し、前記光照射部および前記受光部とは逆側に位置し、前記液体培地を透過した前記放射光を前記受光部側に戻すと共に、当該放射光の進行方向を広げる拡散素子と、前記受光部と前記培養容器との間に位置し、当該受光部と当該培養容器との対向方向に延び、光を透過させる透過路と、前記透過路を包囲し、当該透過路から逸れた光を吸収する包囲部材と、を備えたことを特徴とする。

このような吸光度計によれば、拡散素子による戻り光の拡散によって受光口の位置の自由度が高いとともに、透過路と包囲部材との組み合わせによって外部からのノイズ光が抑制されるので、液体培地の測定光をより正確に取得することができる。また、培養容器を往復する光路が採用されているので片道の光路よりも吸光度が正確に測定できる。

上記吸光度計において、前記培養容器は、一端に液体の入出口を有するとともに当該一端に対する他端に長方形状の底面を有し、当該底面から当該一端側へと延びた側面として、互いに対向した第１面と、互いに対向し当該第１面よりも狭い第２面とを有し、前記容器載置部は、前記第１面が上下方向を向いた姿勢で前記培養容器が載置され、前記拡散素子は、前記容器載置部の、前記培養容器が載置される箇所に設けられ、前記光照射部は、前記培養容器の上側から前記放射光を放出する、形態でもよい。

このような形態の場合は、培養容器の姿勢が培養時の姿勢と同等であるので、液体培地の状態を乱しにくい。また、広い第１面に対して光が照射されるので、光照射部および受光部の配置が容易である。

また、上記吸光度計において、前記培養容器は、一端に液体の入出口を有するとともに当該一端に対する他端に長方形状の底面を有し、当該底面から当該一端側へと延びた側面として、互いに対向した第１面と、互いに対向し当該第１面よりも狭い第２面とを有し、前記容器載置部は、前記底面が下側を向いた姿勢で前記培養容器が載置され、前記光照射部は、前記第１面側から前記放射光を放出する、形態でもよい。
このような形態の場合は、培養容器の載置スペースが省スペースになると共に、測定光が液体培地の液面によって乱されない。

また、上記吸光度計において、前記培養容器は、一端に液体の入出口を有するとともに当該一端に対する他端に長方形状の底面を有し、当該底面から当該一端側へと延びた側面として、互いに対向した第１面と、互いに対向し当該第１面よりも狭い第２面とを有し、前記容器載置部は、前記第１面が上下方向を向いた姿勢で前記培養容器が載置され、前記光照射部は、前記第２面側から前記放射光を放出する、形態でもよい。
このような形態の場合は、液体培地の液面下で長い距離を光が通過するので色の薄い液体培地であっても正確な測定光を取得することができる。

また、上記吸光度計において、前記容器載置部は、前記培養容器の周囲からの光を遮断する遮光材を有することが好ましい。外部からのノイズ光がより低減されるので、液体培地の測定光をより正確に取得することができる。

本発明の吸光度計によれば、液体培地の測定光をより正確に取得することができる。

本発明の実施形態で用いられる細胞培養容器を示す図である。本発明の吸光度計の第１実施形態を示す図である。センサヘッドの先端部分の拡大図である視野限定部と拡散反射板との作用について説明する図である。本発明の吸光度計の第２実施形態を示す図である。本発明の吸光度計の第３実施形態を示す図である。本発明の吸光度計の第４実施形態を示す図である。第４実施形態の吸光度計を含んだ測定システムにおけるブロック図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施形態で用いられる細胞培養容器を示す図である。図１には、側面図（Ａ）と平面図（Ｂ）が示されている。図１（Ａ）は、細胞培養容器が横に載置された状態を示している。

細胞培養容器１は、内部に液体培地２が収容されて液体培地２中で細胞を培養するための容器である。液体培地２には、ｐＨ測定用に例えばフェノールレッドが添加されている。液体培地２は細胞培養容器１の容量に対して半分程度の量が収容され、細胞培養容器１内には液体培地２の液面２ａが生じる。液体培地２の収容量は厳密では無く、一般的に複数用いられる細胞培養容器１のそれぞれで液面２ａの高さは一致しない。

細胞培養容器１は、一端に、液体培地２の入出口である首部１３を有し、一端に対する他端には、長方形状の底面１５を有する。細胞培養容器１は、首部１３の口を塞ぐ蓋１４も有する。細胞培養容器１の首部１３に繋がった箇所は傾斜部１２となっており、底面１５から傾斜部１２に至る箇所は、角筒状に延びた胴部１１となっている。胴部１１は、互いに対向した２つの第１面１６と、互いに対向した２つの第２面１７とで構成され、第２面１７の面積は第１面１６よりも狭い。
通常、細胞培養容器１は、面積の広い第１面１６を上下方向に向けた配置で培養が行われる。
図２は、本発明の吸光度計の第１実施形態を示す図である。
第１実施形態の吸光度計１００は、載置台１０１とセンサヘッド１０２を備えている。

載置台１０１は、細胞培養容器１が載置される台であり、載置台１０１には、細胞培養容器１が嵌まり込んで位置決めされる凹み１０１ａが設けられている。細胞培養容器１は、培養時の姿勢と同様な、広い第１面１６を上下方向に向けた姿勢で凹み１０１ａに嵌まる。載置台１０１にこのような凹み１０１ａが設けられていることにより、細胞培養容器１の位置決めが容易となる。

凹み１０１ａの底の辺りには拡散反射板１０６が備えられている。拡散反射板１０６は、透明な樹脂中に細かい気泡が形成された構造を有する。この拡散反射板１０６は、照射された光を概ね元の方向に戻すと共に、光の進行方向をやや拡散させる光学素子として機能する。

センサヘッド１０２は移動自在で、載置台１０１に載置された細胞培養容器１の第１面１６上に載せられて使用される。センサヘッド１０２は、延伸部１０３と導光部１０４と視野限定部１０５とを備えている。

延伸部１０３は、図示が省略された制御部に繋がって延び、可撓性を有している。本実施形態では制御部に発光素子と受光素子が備えられており、その発光素子から発せられた放射光が延伸部１０３を介して例えば光ファイバによって伝達され、照射光としてセンサヘッド１０２の先端部へと送られる。また、センサヘッド１０２の先端部で得られた測定光は、延伸部１０３を介して例えば光ファイバによって伝達されて制御部の受光素子へと送られ、受光素子によって受光される。受光素子で得られる受光信号から吸光度を求める手法については周知の従来技術が用いられるものとし、詳細の説明は省略する。

導光部１０４は、延伸部１０３を介して制御部から送られてくる照射光をセンサヘッド１０２の先端側へと導き、センサヘッド１０２の先端側から入射した測定光を延伸部１０３側へと導く。

視野限定部１０５は、センサヘッド１０２から細胞培養容器１に向けて照射される照射光の視野、およびセンサヘッド１０２に入射して導光部１０４へと向かう測定光の視野を限定する。照射光について視野限定部１０５は必須ではないが、測定光については、視野限定部１０５が備えられていることで外部からの光ノイズが低減され、正確な測定光が得られる。
図３は、センサヘッドの先端部分の拡大図である。

導光部１０４には、照射光を導く例えば光ファイバからなる投光用導光部１０４ａと、測定光を導く例えば光ファイバからなる受光用導光部１０４ｂが備えられている。

視野限定部１０５は、投光用導光部１０４ａの光出射端に繋がった投光用透過路１０５ａと、受光用導光部１０４ｂの光入射端に繋がった受光用透過路１０５ｂと、それら投光用透過路１０５ａおよび受光用透過路１０５ｂを包囲した包囲部材１０５ｃとを備えている。投光用透過路１０５ａおよび受光用透過路１０５ｂは、センサヘッドの先端面１０２ａと細胞培養容器１とが対向した対向方向に延びている。投光用透過路１０５ａは、本発明にいう光照射部の一例に相当し、受光用透過路１０５ｂは、本発明にいう受光部の一例に相当する。

投光用透過路１０５ａおよび受光用透過路１０５ｂは、照射光および測定光に対して透明な樹脂（例えば、シリコーン樹脂）により構成される。また、包囲部材１０５ｃは、顔料含有樹脂からなり、投光用透過路１０５ａおよび受光用透過路１０５ｂから逸れた光を吸収する。ここで、顔料含有樹脂は、光透過特性を有する樹脂（例えば、シリコーン樹脂）に、迷光を吸収する特性を有する顔料を含有したものである。上記顔料は、例えば、黒色顔料であるカーボンブラック等を採用することができる。

投光用透過路１０５ａおよび受光用透過路１０５ｂを構成する透明な樹脂と、包囲部材１０５ｃの顔料含有樹脂を構成する光透過性を有する樹脂との材質は同じにすることができる。これにより、両樹脂の界面での反射および散乱が抑制される。また、顔料含有樹脂に入射した迷光は、その顔料含有樹脂で吸収され、投光用透過路１０５ａおよび受光用透過路１０５ｂにほとんど戻らず、迷光の複雑な多重反射がほとんど発生しない。

したがって、センサヘッド１０２の光学系は、複雑な多重反射に対応する必要がなく、小型・簡便化される。結果として、吸光度計１００も小型化される。上記したシリコーン樹脂で構築した視野限定部１０５の技術をＳＯＴ（Silicone Optical Technologies）と呼称する。
図４は、視野限定部と拡散反射板との作用について説明する図である。

視野限定部１０５の投光用透過路１０５ａを透過した照射光Ｌｐは、液体培地２中を通過して拡散反射板１０６に到達する。拡散反射板１０６は、照射光Ｌｐをやや拡散させながら反射するので、拡散反射板１０６で反射された反射光Ｌｒ０は、多くがセンサヘッド１０２側へと戻り、液体培地２中を再び通過する。

視野限定部１０５の受光用透過路１０５ｂは、拡散反射板１０６で反射された反射光Ｌｒ０のうち、照射光Ｌｐの光軸とのなす角が所定の小角度θとなる反射光Ｌｒを測定光として透過させる。そして、受光用透過路１０５ｂを逸れた進路の光は包囲部材１０５ｃによって吸収される。このため、外部からの光ノイズは受光用透過路１０５ｂを殆ど透過することができず、ほぼ測定光のみが受光用透過路１０５ｂを透過することになり、液体培地２の正確な測定光が得られる。

また、拡散反射板１０６が照射光Ｌｐを拡散させるので、拡散反射板１０６に対するセンサヘッド１０２の位置や角度は自由度が高い。従って、測定時にセンサヘッド１０２が細胞培養容器１の第１面１６上に載せられる際には厳密な位置調整などが不要となり、測定が容易である。さらに、拡散反射板１０６を経由して光が液体培地２を往復するため液体培地２中の透過距離が増し、より正確な測定光が得られる。拡散反射板１０６は、本発明にいう拡散素子の一例に相当する。なお、本発明にいう拡散素子としては、例えば再帰性反射材などが用いられてもよい。

なお、上記説明では、容器の嵌まる凹み１０１ａが形成された載置台１０１が好ましい例として示されているが、本発明にいう容器載置部は、例えば容器の位置を示す線が示された平らな台であってもよい。
以下、本発明の吸光度計の他の実施形態について説明するが、上述した第１実施形態と同様の要素については同一の符号を付して重複説明を省略する。
図５は、本発明の吸光度計の第２実施形態を示す図である。

第２実施形態の吸光度計２００では、載置台１０１の凹み１０１ａの周囲に遮光材１０１ｂが設けられている。また、第２実施形態の吸光度計２００では、センサヘッド１０２が載置台１０１に組み込まれており、遮光材１０１ｂの内側で、細胞培養容器１に対する光照射と測定光の受光が行われる。さらに、第２実施形態の吸光度計２００では拡散反射板１０６が凹み１０１ａの側面に設けられており、遮光材１０１ｂで囲まれた内部で光が液体培地２中を往復する構造となっている。

センサヘッド１０２および拡散反射板１０６が載置台１０１に組み込まれているので、細胞培養容器１が載置台１０１の凹み１０１ａにはめ込まれると、センサヘッド１０２および拡散反射板１０６に対する細胞培養容器１の位置決めが完了する。
遮光材１０１ｂは、細胞培養容器１の周囲からの光を遮断し、これにより第２実施形態の吸光度計２００では光ノイズが更に低減される。

また、第２実施形態の吸光度計２００では、センサヘッド１０２の先端が細胞培養容器１の第２面１７に対向し、光は液体培地２の液面２ａ下を透過するので、液面２ａによる光路の乱れがなく、透過距離も長い。この結果、より正確な測定光が得られる。特に、液体培地２の色が薄い場合には第２実施形態の構成が好ましい。
図６は、本発明の吸光度計の第３実施形態を示す図である。

第３実施形態の吸光度計３００でも、載置台１０１の凹み１０１ａの周囲に遮光材１０１ｂが設けられ、センサヘッド１０２が載置台１０１に組み込まれている。また、拡散反射板１０６が凹み１０１ａの側面に設けられており、遮光材１０１ｂで囲まれた内部で光が液体培地２中を往復する構造となっている。

第３実施形態の吸光度計３００では、細胞培養容器１が底面１５を下に向けた姿勢で載置台１０１の凹み１０１ａに嵌められる。そして、センサヘッド１０２の先端が細胞培養容器１の第１面１６に対向する。細胞培養容器１が狭い底面１５を下に向けるため液体培地２の液面２ａの位置は高くなり、光は液面２ａ下を透過する。第３実施形態では、光が透過する方向における細胞培養容器１の幅は第１実施形態と同様であるが、その幅いっぱいに液体培地２が存在するため、光が液体培地２内を透過する距離は第１実施形態よりも長い。
図７は、本発明の吸光度計の第４実施形態を示す図である。

第４実施形態の吸光度計４００は、第１実施形態におけるセンサヘッド１０２に替えて無線式の測定装置１１０を備えている。測定装置１１０には導光部１０４と視野限定部１０５が組み込まれており、導光部１０４の、視野限定部１０５側とは反対側の一端には、発光素子１１１と受光素子１１２が備えられている。発光素子１１１は、照射光となる放射光を発して導光部１０４へと送り、受光素子１１２は、導光部１０４によって伝達されてきた測定光を受光する。

測定装置１１０には制御部１１３と無線通信部１１４も備えられている。制御部１１３は例えば電子基板からなり、発光素子１１１の発光制御や受光素子１１２による測定光の受光の制御などを行う。受光素子１１２による受光で得られた測定値は、無線通信部１１４を介して外部端末へと送られる。無線通信部１１４は外部端末からの測定指示などを受信して制御部１１３へと送る。
図８は、第４実施形態の吸光度計を含んだ測定システムにおけるブロック図である。

図８には、第４実施形態の吸光度計４００（図７参照）と外部端末１２０とを有する測定システム１０００が示されている。但し、図８では、吸光度計４００を代表して測定装置１１０が示されている。外部端末１２０は測定装置１１０に対して無線通信で接続されている。測定システム１０００の測定対象２０００は、例えば上述した液体培地２が収容された細胞培養容器１である。
外部端末１２０は、入力部１２１と、処理部１２２と、測定値取得部１２３と、測定値記憶部１２４と、出力部１２５とを備えている。
入力部１２１は、例えばキーボードやタッチパネルなどの入力装置１３０から、測定の開始や停止などの指示を受け取る。
処理部１２２は、入力部１２１によって受け取られた指示に従った処理を行い、測定の開始や停止の指示を測定装置１１０へと無線で送る。

測定装置１１０では、無線通信部１１４によって指示が受け取られ、制御部１１３によって発光素子１１１による放射光の発光と受光素子１１２による測定光の受光が制御される。測定光の受光で得られた測定値は無線通信部１１４によって外部端末１２０へと送られる。

測定値取得部１２３は、測定装置１１０から測定値を取得し、例えばハードディスクなどの測定値記憶部１２４に測定値を記憶させる。また、測定値取得部１２３は、測定値を出力部へと送る。
出力部１２５は測定値を、例えばディスプレイ装置やプリンタなどの出力装置１４０に送って出力させる。
このような無線接続が用いられた測定システム１０００によれば、測定装置１１０の小型化によって自由度の高い測定が可能となる。

１…細胞培養容器、２…液体培地、２ａ…液面、１１…胴部、１２…傾斜部、
１３…首部、１４…蓋、１５…底面、１６…第１面、１７…第２面、
１００，２００，３００，４００…吸光度計、１０１…載置台、１０１ａ…凹み、
１０２…センサヘッド、１０３…延伸部、１０４…導光部、１０５…視野限定部、
１０５ａ…投光用透過路、１０５ｂ…受光用透過路、１０５ｃ…包囲部材、
１０６…拡散反射板、１１０…測定装置、１１１…発光素子、１１２…受光素子、
１１３…制御部、１１４…無線通信部、１２０…外部端末、１２１…入力部、
１２２…処理部、１２３…測定値取得部、１２４…測定値記憶部、１２５…出力部、
１３０…入力装置、１４０…出力装置、１０００…測定システム、２０００…測定対象

Claims

液体培地が入った透明な培養容器が載置される容器載置部と、
前記培養容器に向けて照射される放射光を放出する光照射部と、
前記放射光が前記液体培地を透過して戻ってきた透過光を受光する、前記培養容器に対し、前記光照射部と同じ側に位置した受光部と、
前記培養容器に対し、前記光照射部および前記受光部とは逆側に位置し、前記液体培地を透過した前記放射光を前記受光部側に戻すと共に、当該放射光の進行方向を広げる拡散素子と、
前記受光部と前記培養容器との間に位置し、当該受光部と当該培養容器との対向方向に延び、光を透過させる透過路と、
前記透過路を包囲し、当該透過路から逸れた光を吸収する包囲部材と、
を備えたことを特徴とする吸光度計。
前記培養容器は、一端に液体の入出口を有するとともに当該一端に対する他端に長方形状の底面を有し、当該底面から当該一端側へと延びた側面として、互いに対向した第１面と、互いに対向し当該第１面よりも狭い第２面とを有し、
前記容器載置部は、前記第１面が上下方向を向いた姿勢で前記培養容器が載置され、
前記拡散素子は、前記容器載置部の、前記培養容器が載置される箇所に設けられ、
前記光照射部は、前記培養容器の上側から前記放射光を放出することを特徴とする請求項１に記載の吸光度計。
前記培養容器は、一端に液体の入出口を有するとともに当該一端に対する他端に長方形状の底面を有し、当該底面から当該一端側へと延びた側面として、互いに対向した第１面と、互いに対向し当該第１面よりも狭い第２面とを有し、
前記容器載置部は、前記底面が下側を向いた姿勢で前記培養容器が載置され、
前記光照射部は、前記第１面側から前記放射光を放出することを特徴とする請求項１に記載の吸光度計。
前記培養容器は、一端に液体の入出口を有するとともに当該一端に対する他端に長方形状の底面を有し、当該底面から当該一端側へと延びた側面として、互いに対向した第１面と、互いに対向し当該第１面よりも狭い第２面とを有し、
前記容器載置部は、前記第１面が上下方向を向いた姿勢で前記培養容器が載置され、
前記光照射部は、前記第２面側から前記放射光を放出することを特徴とする請求項１に記載の吸光度計。
前記容器載置部は、前記培養容器の周囲からの光を遮断する遮光材を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の吸光度計。