JP4799338B2 - 測定装置およびその測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、測定装置およびその測定方法に関し、特に、マイクロチップのマイクロ流路内の試料を冷却しながら電気泳動させて反応させ、得られた物質をマイクロチップの測定部分で光学的に測定する光学装置を備えた測定装置およびその測定方法に関する。

従来、光学系によって測定対象物を測定する際、環境温度（外気温度）と測定対象物との間に温度差があるときは、この温度差によって測定機器である光学系あるいは測定対象物に結露が生じることがある。この結露を防止するために、結露する部材近傍にヒータを設けて部材の温度を上昇させたり、あるいは部材に温風を吹き付けたりする方法が知られている。その一例として、冷蔵保存した血液等の検体試料を分析する自動分析装置が知られている（特許文献１）。この自動分析装置において、検体試料を収容する検体容器にはバーコード等が付され、検体保冷庫に冷蔵収納されている。このバーコードは、検体保冷庫の窓を通して読み取られるようになっているが、保冷庫と外気との温度差がある場合、窓が結露して読取不能となることがある。このため、窓の外部に加熱装置としてヒータを取付けて結露を防止している。

また、他の従来技術として、車両後方監視用カメラの中に結露防止構造を有するものが知られている（特許文献２）。このカメラに用いられるレンズ保護用フィルターは、２枚のガラス板と、この２枚のガラス板の間に内臓封止されたリング状ヒータとから構成されている。このリング状ヒータに通電することにより、ガラス板の内部に密閉された空気を暖めるとともに、リング状ヒータとの接触によりガラス板の温度を上昇させて、容易に霜、雪、結露等を除去するようになっている。
特開平８−２１１０６６号公報（図１） 実開平６−３７８０２号公報（図１）

上記従来技術（特許文献１および２）に記載された構成は、いずれも直接的或いは間接的に部材を加熱して結露を防止するものである。このため、測定対象物を測定するのに、一定温度で測定する必要がある場合、この発生する熱が測定対象物に影響を及ぼし正確な測定ができなくなるおそれがある。特に低温の測定温度で測定する必要がある場合は、一層熱による影響は大きい。また、測定対象物等に加熱による温度勾配が生じて、相対的に低温度の部分に結露が生じやすい。

本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、結露を防止するための熱による影響を受けずに、一定した低温度で正確な光学的測定を行うことができる測定装置を提供することを目的とする。

本発明の測定装置は、マイクロチップのマイクロ流路内の試料をマイクロチップの測定部分で光学的に測定する光学装置を備えた測定装置において、マイクロチップを冷却する冷却装置と、光学装置とマイクロチップとの間の空間が冷却装置によって環境温度から露点以下の測定温度に冷却されたときに、測定部分に生じる結露が光学測定に影響を与えないほど微量となるように空間を光学装置とマイクロチップとの間に封止する封止部材とを有することを特徴とするものである。

なお、ここで「マイクロチップ」とは、試料を導入する微細なキャピラリー（毛細管）が形成されたガラス等のチップ基板を有するものをいう。また、このキャピラリーを「マイクロ流路」という。

また、封止部材は、マイクロチップ上に弾性的に当接して、マイクロチップ上を互いに水平方向に相対移動可能とすることもできる。

また、封止部材は、マイクロチップの測定部分を囲む弾性部材であってもよいし、マイクロチップの測定部分を囲むばね付勢された剛性部材であってもよい。

本発明の測定装置は、マイクロチップのマイクロ流路内の試料をマイクロチップの測定部分で光学的に測定する光学装置を備えた測定装置において、マイクロチップを冷却する冷却装置を備え、さらに、光学装置とマイクロチップとの間の空間が冷却装置によって環境温度から露点以下の測定温度に冷却されたときに、測定部分に生じる結露が光学測定に影響を与えないほど微量となるように、空間を密閉状態に封止する封止部材を有するとともに空間に連通する減圧装置が設けられていることを特徴とするものである。

また、封止部材は、マイクロチップの測定部分を密閉状態に囲むばね付勢された剛性部材とすることができる。

本発明の測定装置の測定方法は、マイクロチップのマイクロ流路内の試料をマイクロチップの測定部分で光学的に測定する光学装置を用いた測定装置の測定方法において、マイクロチップを冷却装置により冷却し、光学装置とマイクロチップとの間の空間が冷却装置によって環境温度から露点以下の測定温度に冷却されたときに、測定部分に生じる結露が光学測定に影響を与えないほど微量となるように空間を封止部材により光学装置とマイクロチップとの間に封止し、測定後、冷却装置の冷却を停止し、測定部分を露点温度以上に昇温させた後、封止部材による空間の封止を解除することを特徴とするものである。

本発明の測定装置は、マイクロチップを冷却する冷却装置と、光学装置とマイクロチップとの間の空間が冷却装置によって環境温度から露点以下の測定温度に冷却されたときに、結露が光学測定に影響を与えないほど微量となるように空間を封止する封止部材とを有するので、次の効果を奏する。すなわち、空間を封止部材により封止した微小な空間としたので、結露する場合、この空間内の水分だけが僅かに結露する。従って、結露する部分を加熱しなくとも、結露の量を光学的測定に影響しないほど限定的なものとすることができる。また、加熱する必要がないので、熱源が不要となり、測定対象物や光学装置が熱による影響を受けることなく、一定した低温度で正確な光学的測定を行うことができる。また、加熱により生じる温度勾配がないので、読み取り範囲外の結露が生じることもない。

封止部材が、マイクロチップ上に弾性的に当接して、マイクロチップ上を互いに水平方向に相対移動可能とした場合は、マイクロチップのマイクロ流路が複数セット形成されている場合、実質的に閉じた微小な空間を維持した状態で光学装置を水平方向に移動させて複数セットのマイクロ流路を効率的に測定することができる。

封止部材が、マイクロチップの測定部分を囲む弾性部材である場合は、容易に封止部材を構成することができる。また、封止部材が、マイクロチップの測定部分を囲むばね付勢された剛性部材の場合は、耐久性があるので多数回の測定に使用することができる。

本発明の測定装置は、マイクロチップを冷却する冷却装置を備え、さらに、光学装置とマイクロチップとの間の空間が露点以下の測定温度に冷却されたときに、測定部分に生じる結露が光学測定に影響を与えないほど微量となるように、空間を密閉状態に封止する封止部材を有し、さらに空間に連通する減圧装置が設けられているので、次の効果を奏する。すなわち、結露する部分を加熱しなくとも、結露の量を測定に影響しないほど限定的なものとすることができるという前述の効果に加え、さらに、密閉された空間内の水分量を減圧によってさらに減少させることができるので、結露の量を一層低減できる。従って、熱による影響を受けずに、一定した低温度で一層正確な光学的測定を行うことができる。

封止部材が、マイクロチップの測定部分を密閉状態に囲むばね付勢された剛性部材である場合は、大きな減圧が可能となり、結露の量を極めて少量とすることができる。

本発明の測定装置の測定方法は、マイクロチップを冷却装置により冷却し、光学装置とマイクロチップとの間の空間が露点以下の測定温度に冷却されたときに、測定部分に生じる結露が光学測定に影響を与えないほど微量となるように空間を封止し、測定後、冷却装置の冷却を停止し、測定部分を露点温度以上に昇温させた後、封止部材による空間の封止を解除するので、次の効果を奏する。すなわち、測定部分は、測定が完了し空間の封止を解除したときには温度が上昇しているので、追加的に結露が生じることが防止される。従って、マイクロチップを複数回使用する場合においても、測定部分が結露により塵を吸着して汚れることもなく、また、次の測定の時まで結露が残留して光学測定に影響を与えることもない。

以下、本発明の測定装置の最良の実施形態について添付図を参照して詳細に説明する。図１は第１の実施形態の生化学測定装置等の測定装置１の要部の部分拡大断面図であり、マイクロチップを測定している状態を示す。ここで使用されるマイクロチップ１００は、合成樹脂製の概ね矩形枠状の本体１０２と、この本体１０２内に形成された平板部１０４とを有する。この平板部１０４の上面１０４ａには、比較的大きな凹所１０６と、この凹所１０６の底面１０６ａに、平板部１０４の下面１０４ｂに貫通する開口１０８を有する。平板部１０４の下面１０４ｂには、一部が開口１０８に臨むガラス基板１１０が取付けられている。このガラス基板１１０は、互いに貼り合わされた２枚のガラス板１１０ａ、１１０ｂから構成されている。この２枚のガラス板１１０ａ、１１０ｂのいずれか一方には、図示しない微細なチャネルすなわち溝が形成されている。この２枚のガラス板１１０ａ、１１０ｂを溝を内側にして貼り合わせることによりキャピラリー（毛細管或いはマイクロ流路ともいう）（図示せず）が形成されている。すなわちこのキャピラリーに導入された試料（図示せず）を電気泳動させて、試料中の物質を分離し、免疫等を測定するのに使用されるが、原理的には既に知られたものであるので、詳細な説明は省略する。

キャピラリー電気泳動により分離された物質は、マイクロチップ１００の開口１０８に位置する部分で、光学装置２により光学的に測定される。なお、ここでは開口１０８に臨むガラス基板１１０の部分を測定部分１１１という。また、マイクロ流路を形成する部材は、ガラス基板１１０の他、合成樹脂製であってもよい。

次に、この測定部分１１１を測定するための測定装置１の光学装置２について説明する。光学装置２は、測定部分１１１近傍に位置する鏡胴部３と、マイクロ流路内の試料が蛍光を発するように試料を励起させるための光学系４とを有する。鏡胴部３は筒状部材８を有し、筒状部材８の下方には斜面８ｂを経て収束する先端部６が形成されている。筒状部材８は、先端部６の内面にレンズ着座用の上向きの段部８ａを有する。筒状部材８内には複数のレンズ１０（１０ａ、１０ｂ）が互いに離隔して配置されている。レンズ１０ａは、鏡胴部３の下端に位置し対物レンズとなる。レンズ１０ｂはレンズ１０ａの上方に配置されている。また、鏡胴部３の下端部の外周には、ゴム、合成樹脂等で成形された環状の弾性を有する封止部材（弾性部材）１２が冠着され、例えば、図示しないねじ等により鏡胴部３に固定されている。封止部材１２は、鏡胴部３の最外径部分に冠着する環状部１２ａ、斜面８ｂに相補的な形状の収束部１２ｂ、収束部１２ｂの先端（下端）から外方且つ僅かに下方に拡開する鍔部１２ｃとを有する。鍔部１２ｃは、その先端に行くに従って薄肉となって弾性が付与されている。従って、鍔部１２ｃは、鏡胴部３の中心を通る軸線（図示せず）方向に撓むことが可能である。

また、図１中、光学装置２の光学系４は簡略化して概念のみ示す。光学系４には、試料中の測定対象物質の蛍光を励起するためのレーザー光４０が用いられる。このレーザー光４０は、レーザーダイオード３８から照射されて、ダイクロイックミラー４４により反射され、前述の複数のレンズ１０を通過して試料に達する。これにより試料中の例えば蛍光標識抗体が励起されて蛍光を発する。この蛍光は、ダイクロイックミラー４４、バンドパスフィルター４８、集光レンズ５０を経て光検出器５２により検出される。

実際のキャピラリー電気泳動時には、マイクロ流路を冷却した状態で試料を電気泳動させることが必要な場合がある。具体的には、試料を安定して反応（結合）させるには、約１０°Ｃという一定した低温下で電気泳動させる必要がある。このため、マイクロチップ１００のガラス基板１１０の下面１１２に接触するように冷却ブロック（冷却装置）１５０が配置される。この冷却ブロック１５０は、例えばペルチェ素子（図示せず）を内蔵したアルミブロックから構成される。この冷却ブロック１５０のサイズは、例えば２．５ｃｍ角のガラス基板１１０の下面１１２の略全体に接触するような大きさとされるが、用途に応じて適宜サイズとすることができる。また、ガラス基板１１０のサイズが２．５ｃｍ角の場合、前述の測定部分１１１のサイズは直径５ｍｍ程度である。

前述の鏡胴部３は、光学的な焦点を測定部分１１１に位置するマイクロ流路に合致させたときに、鏡胴部３の先端部６は凹所１０６に位置する。この時、光学装置は測定位置にあるという。その時、封止部材１２の鍔部１２ｃは、マイクロチップ１００の平板部１０４の上面１０４ａに弾性的に接触する。これにより、凹所１０６、ガラス基板１１０および封止部材１２により封止された微小な容積の空間５４が得られる。この空間５４の容積は、例えば、６００μｌ程度である。またレンズ１０ａの直径は約１４ｍｍである。

空間５４が封止された後、ガラス基板１１０が、冷却ブロック１５０により約１０°Ｃの露点温度以下に冷却されると、空間５４内の大気温度の空気も冷却される。このとき、空間５４内の水分は、空間５４内で最も冷却されているガラス基板１１０の部分、すなわち前述の開口１０８に露出する測定部分１１１に結露（図示せず）として凝結する。この結露は、極微量であれば、光学的測定時に光を屈折させたり乱反射させたりすることがほとんど無視できるくらいに少なく、測定に悪影響を及ぼすことがない。この結露する水分の量は、空間５４内の水分が多ければ多い程多くなる。換言すれば、空間５４の容積の大きさにより結露する水分の量が決まってくる。従って、空間５４が閉じられていなければ、水分は外気から随時供給されて多くなるので結露量は多くなり、また、空間５４が大きくても、同様に結露の量が多くなる。従って空間５４の容積を結露が一定以上に多くならないような大きさにする必要がある。すなわち空間の容積は、光学装置２とマイクロチップ１００との間の空間５４が冷却ブロック１５０によって環境温度から露点以下の測定温度に冷却されたときに、測定部分１１１に生じる結露が光学測定に影響を与えないほど微量となるような測定部分１１１を含む容積であることが必要である。この場合、空間５４は、必ずしも完全に閉じている必要はなく、外気と多少連通していても水分の供給が少なく、結露の量を光学測定に影響するほど増大させるものでなければ実際上問題とはならない。

次に、本発明の第２の実施形態の測定装置２００について、図２を参照して説明する。図２は、第２の実施形態の測定装置２００の要部を示す部分拡大断面図である。なお、図２において、光学系は第１の実施形態と同様なので図示を省略する。この実施形態では、マイクロチップ１３０は、下方に突出したリブ１３１が周囲に形成された平板状の本体１３２を有する。この本体１３２には、その上面１３２ａから下面１３２ｂに貫通した光学的測定のための開口１３８が形成されている。本体１３２の下面１３２ｂには、前述のガラス基板１１０と同様なガラス基板１４０が取付けられている。このガラス基板１４０内にも図示しないマイクロ流路が形成されている。前述の冷却ブロック１５０は、ガラス基板１４０の下面１４０ｂに接触している。ガラス基板１４０の上面１４０ａのうち、本体１３２の開口１３８に露出している部分が測定部分１４１となる。測定装置２００の光学装置２０２の鏡胴部２０３は円筒状であり、円錐台形の先端部２０６は開口１３８内に位置している。鏡胴部２０３の外周には円筒状の金属製のスリーブ（封止部材）２２０が、コイルばね２２２により下方に付勢された状態で上下に移動可能に装着されている。このコイルばね２２２は適宜手段により光学装置２に固定されている。スリーブ２２０は、その前端２２０ａがばね付勢されてマイクロチップ１３０の上面１３２ａに当接するようになっている。これによってマイクロチップ１３０と光学装置２０２との間に測定部分１４１を含む空間２５４が封止される。この空間２５４も前述の空間５４と同様に、ガラス基板１４０上の測定部分１４１に光学測定するのに影響のない程度の微量な結露を生じる容積を有する。

次に、本発明の第３の実施形態の測定装置３００について、図３を参照して説明する。図３は、図２に示す測定装置２００と同様な第３の実施形態の測定装置３００の要部を示す部分拡大断面図である。なお、図３中、図２と同じ部品については同じ参照番号を付して説明する。測定装置３００は、第２の実施形態の光学装置３０２のスリーブ（封止部材）２２０とは異なるスリーブ３２０を有する。スリーブ３２０は、鏡胴部３０３にコイルばね３２２により摺動可能に装着される点では同じであるが、減圧装置３３０に連通するパイプ３３２が取付けられている点が異なる。このパイプ３３２はスリーブ３２０の下端近傍に空間３５４と連通するように取付けられている。また、鏡胴部３０３の外周に形成された環状溝３３３には、スリーブ３２０との間をシールするＯリング等のシール部材３３４が装着されている。また、スリーブ３２０の先端には、マイクロチップ１３０の上面１３２ａと密接するように、図示しない例えば、パッキン状の弾性シール部材が取付けられる。これにより、スリーブ３２０がマイクロチップ１３０の上面１３２ａに当接したときには、測定部分１４１を含む密閉された空間３５４が封止される。光学的測定時には、図３に示すようにパイプ３３２の開口３３２ａは、密閉された空間３５４に臨み空間３５４内の空気が減圧ポンプ等の減圧装置３３０により外部に吸引される。これにより、空気と共に空気に含まれている水分も外部に吸引される。例えば、空間３５４内の水分が半分になると測定部分１４１に結露する水分の量も少なくなり、結露しにくくなる。従って、一層好ましい測定結果が得られる。

次に、空間内に含まれる水分と、結露との関係について測定した実験結果の一例を実施例１に示す。
<実施例１>
外部環境の温度（外気温）；３０°Ｃ、相対湿度；１００％の場合、１ｍ^３の空気中に３０．３ｇの水分が含まれる。これを空間、例えば直径２０ｍｍ、高さ５ｍｍの空間に置き換えると０．４６μｇの水分が含まれる。ガラス基板を１０°Ｃに冷却すると、３０°Ｃの蒸気圧３１．８ｍｍＨｇと１０°Ｃの蒸気圧９．２ｍｍＨｇの差の分で約７０％が結露するとして結露の量は０．３μｇである。なお、この結露の量は、目視では確認できない程度の微量であり、実測することもできないので、上記の結露量は理論値を示す。この程度の結露量が光学的な測定に影響を及ぼすことはないことが確認された。

次に、上記第１〜第３の実施形態に共通するが、光学的な測定を終了した後、光学装置２、２０２、３０２を、マイクロチップ１００、１３０から離隔させるときの態様について、代表例として図１を再び参照して説明する。測定完了後、光学装置２、２０２、３０２は上昇してマイクロチップ１００、１３０の上面１０４ａ、１３２ａから離隔する。この時、光学装置２、２０２、３０２は退避位置にあるという。すなわち、空間５４、２５４、３５４の封止が解除される。その結果空間、２５４、３５４は外部環境と同じ条件（気温、湿度等）に急激に移行する。この場合、次のような問題が生じる。すなわちガラス基板１１０は冷却されたままであるので、測定部分１１１は外気の水分が追加的に凝結して結露の水分量が増大する。マイクロチップ１００が使い捨ての場合は、この結露は問題とならないが、マイクロチップ１００、１３０を再使用する場合は次のような問題が生じる。結露した測定部分１１１、１４１は、通常クリーニングがしにくい部分であり、マイクロチップ１００、１３０に実装されている電子部品もあるので簡単に結露を除去することはできない。また、結露により塵埃が付着して乾いた後汚れとして測定部分１１１、１４１に残るため、光学測定に影響を及ぼすおそれがある。また、次のマイクロチップ１００、１３０の使用までの時間が短いとそのまま結露が残留することがある。従って、このような更なる結露を防止するために次のような工程がとられる。

まず、測定が完了すると、冷却ブロック１５０の冷却を停止し、ガラス基板１１０の温度を環境温度に近づくように自然に上昇させる。この際、冷却温度から露点以上の温度への復帰を加速させるためには、例えば、ペルチェ素子を使用した上記実施形態の場合、極性を逆にして通電することにより発生する熱でガラス基板１１０、１４０を加熱してもよい。温度が露点温度以上になると、空間５４が外気と同化しても、最早結露を生じることがなくなるので、この状態に達した後、光学装置２をマイクロチップ１００から上昇させ空間５４、３５４、３５４の封止を解除する。しかる後、測定完了後のマイクロチップ１００、１３０を排除した後、次の測定すべきマイクロチップ１００、１３０を光学装置２、２０２、３０２の下に装填する。

以上、本発明の好ましい実施形態として生化学測定装置について述べたが、それに限定されるものではなく、一般的な測定装置に対しても適用できることはいうまでもない。例えば、上記実施形態は、キャピラリー電気泳動により試料を分離させて、分離した物質を分析する測定装置について述べたが、キャピラリーを使用して所望の物質を分析する場合にも本発明を適用することができる。

また、冷却方法として、ペルチェ素子を使用したものに限定されるものではなく、所定の低温度に冷却可能であれば、どのような型式の冷却装置であってもよい。また、冷却する温度は、１０°Ｃの場合に限定されるものではなく、使用される試料或いは薬品の反応に適した温度に冷却されるが、そのときの測定温度と環境温度との差により水分が結露するような関係であれば本発明が適用されることはいうまでもない。

本発明の第１の実施形態の測定装置の要部の部分拡大断面図であり、マイクロチップを測定している状態を示す。 本発明の第２の実施形態の測定装置の要部を示す部分拡大断面図 本発明の第３の実施形態の測定装置の要部を示す部分拡大断面図

符号の説明

１、２００、３００ 測定装置
２、２０２、３０２ 光学装置
５４、２５４、３５４ 空間
１２、２２０、３２０ 封止部材
１００、１３０ マイクロチップ
１１１、１４１ 測定部分
１５０ 冷却装置（冷却ブロック）
２２２、３２２ コイルばね
３３０ 減圧装置

Claims (6)

1. マイクロチップのマイクロ流路内の試料を前記マイクロチップの測定部分で光学的に測定する光学装置を備えた測定装置において、
   前記マイクロチップを冷却する冷却装置を備え、
   前記光学装置は、鏡胴部を有するとともに、測定位置と退避位置との間で移動可能であり、前記鏡胴部の下端には前記測定位置で前記マイクロチップ上に弾性的に当接して前記鏡胴部と前記マイクロチップとの間に前記測定部分を囲む封止された空間を形成する封止部材が設けられてなることを特徴とする測定装置。
2. 前記封止された空間の容積は、前記冷却装置によって環境温度から露点以下の測定温度に冷却されたときに、前記測定部分に生じる結露が光学測定に影響を与えないほど微量となる程度に微小であることを特徴とする請求項１記載の測定装置。
3. 前記封止部材は、前記マイクロチップ上に弾性的に当接して、前記マイクロチップ上を互いに水平方向に相対移動可能であることを特徴とする請求項１または２記載の測定装置。
4. 前記封止部材が、前記マイクロチップの測定部分を囲む弾性部材であることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の測定装置。
5. 前記封止部材が、前記マイクロチップの測定部分を囲むばね付勢された剛性部材であることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の測定装置。
6. マイクロチップのマイクロ流路内の試料を前記マイクロチップの測定部分で光学的に測定する光学装置を用いた測定装置の測定方法において、
   前記マイクロチップを冷却装置により冷却し、
   前記光学装置を前記マイクロチップに向けて移動させるとともに封止部材を前記マイクロチップ上に弾性的に当接させて、前記封止部材により前記光学装置と前記マイクロチップとの間に前記測定部分を囲む封止された空間を形成し、
   測定後、前記冷却装置の冷却を停止し、前記測定部分を露点温度以上に昇温させた後、前記封止部材による前記空間の封止を解除することを特徴とする測定装置の測定方法。

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