JP4479539B2 - 反射率測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、反射率測定装置に係わり、特に、血液分析や化学分析において、検体中の所定の成分濃度を特定波長の光の反射率によって求める反射率測定装置に関する。

従来から試験紙の呈色度から検体中の成分濃度を測定する方法として、特定波長の反射率を測定することによって行うものが知られている。

特開２００１−１４１６４４号公報には、図８に示すように、試験紙の斜め上方から特定波長の光を照射し、反射した光を試験紙直上で検出する反射率測定装置が開示されている。この反射率測定装置は、比較的多量の検体液（ｍｌオーダ）の使用が可能であり、試験紙は検体液がある程度揮発しても測定に支障がないものであった。

特開２００１−１４１６４４号公報

ところで、検体として血液等を用いる場合は、微量（μｌオーダ）な検体量で測定可能な装置が望まれている。しかし、図８に示すような従来技術に係る反射率測定装置では、微量の検体量では検体が蒸発してしまう問題がある。特に、上記のような検体を用いる場合は、酵素反応を使う場合が多く、その場合は、検体自体が加温されるため、より一層検体が蒸発してしまう。
そこで、蒸発を阻止するために試験紙を透明部材で被覆することが考えられる。しかし、上記のように、従来の斜め光照射によって試験紙直上で反射光を受光する方法では、透明部材で反射した反射光が迷光となり、それを検出器が拾ってしまい、検出感度が落ちてしまうという問題を生じる。

本発明の目的は、上記の問題点に鑑み、マイクロチップ上に載置された被測定部位（試験紙）が透明部材で被覆され、被測定部位における検体量がμｌオーダの微量な場合であっても、良好な検出感度を得ることのできる反射率測定装置を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するために、次のような手段を採用した。
第１の手段は、特定波長で指向性のある光を出射する光放出部と受光部とを備え、マイクロチップの被測定部位に前記光放出部からの光を照射して、前記被測定部位からの反射光を前記受光部で受光し、前記被測定部位の反射率を測定する反射率測定装置において、前記マイクロチップの前記被測定部位を透明部材で被覆した構造であって、前記光放出部を前記被測定部位の直上に配置し、前記光放出部からの照射エリアを前記被測定部位内に収め、前記光放出部の発光中心点を含み前記マイクロチップに垂直な仮想面において、前記被測定部位の前記照射エリアの端部における法線に対する角度をθ（°）とし、前記被測定部位の直上に配置された前記光放出部から放射される光の拡がり角をα（°）とし、前記透明部材の屈折率をｎとしたとき、前記受光部が、（１／２）α≦θ≦ｓｉｎ^−１（１／ｎ）の関係を満足するような角度範囲θに配置されることを特徴とする反射率測定装置である。

第２の手段は、第１の手段において、複数の被測定部位を備えたマイクロチップに対して、複数の光放出部と該複数の光放出部に対して共通の受光部を備え、前記各光放出部を前記各被測定部位の直上に配置し、前記受光部が各被測定部位からの光を受光するようにしたことを特徴とする反射率測定装置である。

第３の手段は、第１の手段において、複数の被測定部位を備えたマイクロチップに対して、複数の光放出部と複数の受光部とを備え、前記各光放出部を前記各被測定部位の直上に配置し、前記各受光部の前面に集光用レンズを設け、各受光部が対応する各被測定部位からの光のみを受光するようにしたことを特徴とする反射率測定装置である。

請求項１に記載の発明によれば、特定波長で指向性のある光を出射する光放出部と受光部とを備え、マイクロチップの被測定部位に前記光放出部からの光を照射して、前記被測定部位からの反射光を前記受光部で受光し、前記被測定部位の反射率を測定する反射率測定装置において、前記マイクロチップの前記被測定部位を透明部材で被覆した構造であって、前記光放出部を前記被測定部位の直上に配置し、前記光放出部からの照射エリアを前記被測定部位内に収め、前記光放出部の発光中心点を含み前記マイクロチップに垂直な仮想面において、前記被測定部位の前記照射エリアの端部における法線に対する角度をθ（°）とし、前記被測定部位の直上に配置された前記光放出部から放射される光の拡がり角をα（°）とし、前記透明部材の屈折率をｎとしたとき、前記受光部が、（１／２）α≦θ≦ｓｉｎ^−１（１／ｎ）の関係を満足するような角度範囲θに配置し、上記の関係において、（１／２）α≦θとしたので、図８で説明したような従来技術の透明部材で反射した反射光が迷光となり、それを検出器が拾ってしまい、検出感度が落ちてしまうという問題を回避することができ、被測定部位における検体量がμｌオーダの微量な場合であっても、良好な検出感度を得ることができる。

請求項２に記載の発明によれば、複数の被測定部位を備えたマイクロチップに対して、複数の光放出部と該複数の光放出部に対して共通の受光部を備え、前記各光放出部を前記各被測定部位の直上に配置し、前記受光部が各被測定部位からの光を受光するようにしたので、光放出部を被測定部位毎に切り替えることにより受光部を１つで済ませることができ、装置の簡素化が図られるとともに測定の迅速化を図ることができる。

請求項３に記載の発明によれば、複数の被測定部位を備えたマイクロチップに対して、複数の光放出部と複数の受光部とを備え、前記各光放出部を前記各被測定部位の直上に配置し、前記各受光部の前面に集光用レンズを設け、各受光部が対応する各被測定部位からの光のみを受光するようにしたので、受光範囲をそれぞれの被測定部位のみに限定することができるので、測定室壁面での乱反射光（迷光）の影響を軽減でき、また複数の項目を同時に測定することができる。

はじめに、本発明の第１の実施形態を図１乃至図４を用いて説明する。
図１は、本実施形態の発明に係る反射率測定装置に用いるマイクロチップの構成の一例を示す図であり、図１（ａ）はマイクロチップの平面図、図１（ｂ）はマイクロチップの正面断面図である。
同図において、１はマイクロチップ、２は検体を導入する検体導入口、３は基板５上に彫られた微小な溝であり、検体導入口２から導入された検体を試験紙４に流動させる流路、４は流入された検体と試薬とが反応し被測定部位となる試験紙、５は基板、６は検体導入口２を除く、流路３、試薬紙４、及び基板５上を被覆する透明部材である。
ここで、基板４は、例えば、ＰＥＴ、ＰＭＭＡ等が用いられる。試験紙４は、例えば、ニトロセルロースの多孔質体であり、所定の試薬が含有されている。透明部材６は、例えば、ＰＥＴ（屈折率１．６、臨界角３８．７°）、ＰＭＭＡ（屈折率１．４９、臨界角４２．２°）、パイレックス（登録商標）ガラス（屈折率１．４７、臨界角４２．９°）等が用いられる。

血液分析を例にとると、検体導入口２から血球分離した血漿を導入すると、血漿は毛細管現象により流路３を通って被測定部位である試験紙４まで流動する。

図２は、本実施形態の発明に係る反射率測定装置の構成を示す正面断面図である。
同図において、７は特定波長の光を出射する汎用ＬＥＤ（光源）、８はアパーチャであり、アパーチャ８は迷光を防ぐために設けられるものであり、光の拡がりを制限して照射領域を試験紙４上に限定する機能を有する。汎用ＬＥＤ（光源）７とアパーチャ８によって特定波長の指向性のある光放出部を構成することができる。光放出部は、汎用ＬＥＤ（光源）７とアパーチャ８で構成する以外に、指向性ＬＥＤ、ＬＤ（レーザダイオード）、白熱ランプとバンドパスフィルタとアパーチャ、放電ランプ（キセノンランプや水銀ランプ）とバンドパスフィルタとアパーチャによって構成することも可能である。９は、ＰＤ（フォトダイオード）又はホトマルからなる検出器であり、受光部に相当する。なお、その他の構成は図１に示した同符号の構成に対応する。
ここで、汎用ＬＥＤ（光源）７及びアパーチャ８によって構成される光放出部は、被測定部位である試験紙４の直上に配置され、光放出部からの照射エリアが試験紙４内に収められる。また、本発明において、発光中心点とは、光放出部が汎用ＬＥＤや白熱ランプや放電ランプとアパーチャの組み合わせにおいてはアパーチャ開口の中心をいう。

受光部である検出器９の配置範囲θは、透明部材６の裏面（図中Ａ点）で反射した光が入射しないθｍｉｎより大きい領域であり、かつ試験紙４で拡散された光が透明部材６と空気との境界（図中Ｂ点）で全反射する臨界角θｍａｘより小さい領域である。より詳細には、汎用ＬＥＤ（光源）７の発光中心点を含みマイクロチップ１に垂直な仮想面において、試験紙４の照射エリアの端部における法線に対する角度をθ（°）とし、汎用ＬＥＤ（光源）７及びアパーチャ８からなる光放出部から放射される光の拡がり角をα（°）とし、透明部材６の屈折率をｎとしたとき、検出器９は、（１／２）α≦θ≦ｓｉｎ^−１（１／ｎ）の関係を満足するような角度範囲θ（°）に配置する。

反射率測定装置をこのように構成することにより、マイクロチップ１の試験紙４に汎用ＬＥＤ（光源）７及びアパーチャ８からなる光放出部からの光を照射して、試験紙４からの反射光を検出器９で受光し、試験紙４からの反射率を測定すると、上記の関係において、（１／２）α≦θとしたので、透明部材６で反射した反射光が迷光となり、それを検出器９が拾って検出感度が落ちるような従来の問題を回避することができる。

図３は、血液中の検査項目としての酵素と、試薬と反応した反応物の吸収波長の関係を示す表である。各酵素毎に試薬は異なり、各酵素は各試薬と反応して各々の色素を生成する。
同図に示すように、γ−ＧＴＰ（γグラタミルトランスペプチダーゼ）の反応物の吸収波長は４０５ｎｍ、ＧＯＴ（グルタミン酸オキサロ酢酸トランスアミナーゼ）の反応物の吸収波長は３４０ｎｍ、ＧＰＴ（グルタミン酸ピルビン酸トランスアミナーゼ）の反応物の吸収波長は３４０ｎｍ、ＡＬＰ（アルカリフォスファターゼ）の反応物の吸収波長は４１５ｎｍ、ＢＵＮ（血中尿素窒素）の反応物の吸収波長は３４０ｎｍ、Ｃｒｅ（クレアチニン）の反応物の吸収波長は６００ｎｍ、ＵＡ（尿酸）の反応物の吸収波長は６００ｎｍ、ＧＡ（グリコアルブミン）の反応物の吸収波長は５５０ｎｍである。

図４は、本実施形態の発明に係る反射率測定装置と従来技術（図８）に係る反射率測定装置とを用いて、予め分かっているグリコアルブミン濃度として調製した糖化アミノ酸溶液を測定した結果を示すグラフである。
同図において、横軸はグリコアルブミン濃度、縦軸は−ｌｏｇ_１０（反射率）より算出した吸光度である。
この測定における条件は、アパーチャとマイクロチップ間の距離ｄ：１０．７ｍｍ、アパーチャ径：φ１，光の拡がり角α：約１０°、照射スポット径：約φ３、光源：ＬＥＤ（波長５５８ｎｍ）、透明部材の材質：ＰＥＴ（屈折率１．６）、透明部材の厚み：０．１ｍｍ、臨界角θ_ｍａｘ：３８．７°、試験紙の直径：φ４である。

この測定は、グリコアルブミンは血液中のグルコースとアルブミンが結合して生成される糖化蛋白と試薬が反応して青紫色色素ができるので、この色素に吸収される波長５５８ｎｍの光を色素に照射して反射光量を測定したものである。

同図に示すように、本実施形態の発明に係る反射率測定装置によれば、従来技術の基板上に試験紙を載置し、透明部材で被覆した構造のマイクロチップに斜め上方から光照射を行い、試験紙の直上で受光する反射率測定装置に比べて、検量線の傾きが約４倍に改善されていることが分かる。検量線の傾きが大きくなることにより、誤差範囲が重ならず、正常値と異常値の分離を明確に行うことができる。それに対して、従来技術に係る反射率測定装置では、正常範囲が約１１〜１７％であり、誤差範囲を考えると異常値と正常値を取り違えてしまい正確な診断ができないことになる。

このように本実施形態の発明に係る反射率測定装置によれば、（１／２）α≦θとしたので、透明部材の表面及び裏面で反射した光が検出器に入らず、また、θ≦ｓｉｎ ^−１ （１／ｎ）としたので、試験紙で拡散反射した光を効率よく受光できるので、サンプル濃度に対して反射率の変化が大きくなり、測定分解能を向上させることができる。

次に、本発明の第２の実施形態を図５を用いて説明する。
図５は、本実施形態の発明に係る反射率測定装置の構成を示す正面断面図である。
同図おいて、４１，４２は流入された検体と試薬とが反応し被測定部位となる複数の試験紙、７１，７２は特定波長の光を出射する複数の汎用ＬＥＤ（光源）、８１，８２は複数のアパーチャであり、アパーチャ８１，８２は、図２に示したアパーチャ８と同様に迷光を防ぐために設けられるものであり、光の拡がりを制限して照射領域を試験紙４１，４２上に限定する機能を有する。１０は測定室である。なお、その他の符号は図２に示した同符号の構成に対応する。

この反射率測定装置は、複数の被測定部位である試験紙４１，４２を備えたマイクロチップ１に対して、複数の汎用ＬＥＤ（光源）７１，７２とアパーチャ８１，８２からなる複数の光放出部に対して共通の検出器９を備え、各光放出部（汎用ＬＥＤ（光源）７１，７２とアパーチャ８１，８２）を各試験紙４１，４２の直上に配置し、検出器９が各試験紙４１，４２からの光を受光するようにしたものである。

反射率測定装置をこのように構成することにより、第１の実施形態の発明に係る反射率測定装置の効果に加えて、点灯する光放出部（汎用ＬＥＤ（光源）７１，７２とアパーチャ８１，８２）を試験紙４１，４２毎に切り替えることにより、検出器９を１つで済ませることができ、装置の簡素化が図られるとともに測定の迅速化を図ることができる。

次に、本発明の第３の実施形態を図６を用いて説明する。
図６は、本実施形態の発明に係る反射率測定装置の構成を示す平面断面図である。
同図において、７１，・・・７８は円周上に配置された波長の異なる光を出射する汎用ＬＥＤ（光源）である。なお、その他の構成は図５に示した同符号の構成に対応する。

この反射率測定装置は、図示されていない複数の被測定部位である試験紙を備えたマイクロチップに対して、複数の汎用ＬＥＤ（光源）７１，・・・７８と図示されていないアパーチャからなる複数の光放出部に対して共通の検出器９を備え、各光放出部（汎用ＬＥＤ（光源）７１・・・７８とアパーチャ）を各試験紙の直上に配置し、検出器９が各試験紙からの光を受光するようにしたものである。

反射率測定装置をこのように構成することにより、第１の実施形態の発明に係る反射率測定装置の効果に加えて、点灯する光放出部（汎用ＬＥＤ７１・・・７８とアパーチャ）を試験紙毎に切り替えることにより、検出器９を１つで済ませることができ、多項目の測定を迅速に行うことができる。

次に、本発明の第４の実施形態を図７を用いて説明する。
図７は、本実施形態の発明に係る反射率測定装置の構成を示す正面断面図である。
同図おいて、９１，９２は複数の検出器、１１１，１１２は複数の各検出器９１，９２の前面に配置された集光用レンズである。なお、その他の構成は図５に示した同符号の構成に対応する。

この反射率測定装置は、複数の試験紙４１，４２を備えたマイクロチップ１に対して、複数の汎用ＬＥＤ（光源）７１，７２とアパーチャ８１，８２からなる光放出部と複数の検出器９１，９２とを備え、各光放出部（汎用ＬＥＤ７１，７２とアパーチャ８１，８２）を各試験紙４１，４２の直上に配置し、各受光部９１，９２の前面に集光用レンズ１１１，１１２を設け、各受光部９１，９２が対応する各試験紙４１，４２からの光のみを受光するようにしたものである。

反射率測定装置をこのように構成することにより、第１の実施形態の発明に係る反射率測定装置の効果に加えて、受光範囲をそれぞれの試験紙のみに限定することができるので、測定室１０壁面での乱反射光（迷光）の影響を軽減でき、また複数の項目を同時に測定することができる。

第１の実施形態の発明に係る反射率測定装置に用いるマイクロチップの構成の一例を示す図である。 第１の実施形態の発明に係る反射率測定装置の構成を示す正面断面図である。 血液中の検査項目としての酵素と、試薬と反応した反応物の吸収波長との関係を示す表である。 第１の実施形態の発明に係る反射率測定装置と従来技術（図８）に係る反射率測定装置との測定結果を示すグラフである。 第２の実施形態の発明に係る反射率測定装置の構成を示す正面断面図である。 第３の実施形態の発明に係る反射率測定装置の構成を示す平面断面図である。 第４の実施形態の発明に係る反射率測定装置の構成を示す正面断面図である。 従来技術に係る反射率測定装置の構成の概要を示す図である。

符号の説明

１ マイクロチップ
２ 検体導入口
３ 流路
４ 試験紙
４１，４２ 試験紙
５ 基板
６ 透明部材
７ 汎用ＬＥＤ（光源）
７１，７２ 汎用ＬＥＤ（光源）
７１，・・・７８ 汎用ＬＥＤ（光源）
８ アパーチャ
８１，８２ アパーチャ
９ 検出器
９１，９２ 検出器
１０ 測定室
１１１，１１２ 集光用レンズ

Claims (3)

1. 特定波長で指向性のある光を出射する光放出部と受光部とを備え、マイクロチップの被測定部位に前記光放出部からの光を照射して、前記被測定部位からの反射光を前記受光部で受光し、前記被測定部位の反射率を測定する反射率測定装置において、
   前記マイクロチップの前記被測定部位を透明部材で被覆した構造であって、前記光放出部を前記被測定部位の直上に配置し、前記光放出部からの照射エリアを前記被測定部位内に収め、
   前記光放出部の発光中心点を含み前記マイクロチップに垂直な仮想面において、前記被測定部位の前記照射エリアの端部における法線に対する角度をθ（°）とし、前記被測定部位の直上に配置された前記光放出部から放射される光の拡がり角をα（°）とし、前記透明部材の屈折率をｎとしたとき、
   前記受光部が、（１／２）α≦θ≦ｓｉｎ^−１（１／ｎ）の関係を満足するような角度範囲θに配置されることを特徴とする反射率測定装置。
2. 複数の被測定部位を備えたマイクロチップに対して、複数の光放出部と該複数の光放出部に対して共通の受光部を備え、前記各光放出部を前記各被測定部位の直上に配置し、前記受光部が各被測定部位からの光を受光するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の反射率測定装置。
3. 複数の被測定部位を備えたマイクロチップに対して、複数の光放出部と複数の受光部とを備え、前記各光放出部を前記各被測定部位の直上に配置し、前記各受光部の前面に集光用レンズを設け、各受光部が対応する各被測定部位からの光のみを受光するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の反射率測定装置。