JP6137270B2

JP6137270B2 - 光測定装置

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Publication number: JP6137270B2
Application number: JP2015210387A
Authority: JP
Inventors: 亨介山根
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2015-10-27
Filing date: 2015-10-27
Publication date: 2017-05-31
Anticipated expiration: 2035-10-27
Also published as: WO2017073196A1; TWI671518B; JP2017083244A; TW201715220A

Description

本発明は、例えば吸光度測定器や蛍光測定器などの光測定装置に関する。

近年、ライフサイエンス分野では、吸光度測定器や蛍光測定器などの光測定装置に対する要請として、ポイントオブケア検査に用いることなどを目的に、小型で持ち運びが容易であることが求められている。
例えば特許文献１には、励起光を試料ケース内の測定試料に照射する固体光源と、蛍光を検出する蛍光測定器と、測定試料から放出される蛍光を蛍光測定器に導光する蛍光収集光学系とが、励起光および蛍光を含む光に対して透明な樹脂内に埋設された構造を有する蛍光測定器が記載されている。この蛍光測定器においては、試料ケースとして先端がテーパー状とされたＰＣＲチューブが用いられ、ＰＣＲチューブは、前記樹脂によって構成された筐体における試料ケース挿入部に挿入されてセッティングされる。

特開２０１４−０３２０６４号公報

液体状の測定試料が入れられる試料チューブは、様々なサイズや形状のものが知られている。例えば目標試料注入量が例えば０．２ｍｌ（ＰＣＲ用）、１．５ｍｌ、２．０ｍｌなどのものがある。このため、特許文献１に記載の蛍光測定器においては、試料チューブの測定器本体に対する設置状態は、使用される試料チューブ毎に異なったものとなる。また、試料チューブには、製造上不可避的に発生する公差があるため、同型式の試料チューブを使用した場合であっても、測定器本体に対する設置状態は異なったものとなりえる。
試料チューブの設置状態が変わると、光源からの光が測定試料を透過する距離である測定光路長が変わることとなり、同一濃度の分析試料について同一の光測定器を使用した場合であっても、測定結果に差が生じるおそれがある。

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、使用される試料チューブの形状やサイズに拘わらず、測定光路長を実質的に一定の大きさとすることができて、高い測定精度を得ることのできる光測定装置を提供することを目的とする。

本発明の光測定装置は、底部に向かうに従って外径が次第に小さくなるテーパー部を有する試料チューブを受容する円錐台状の試料チューブ受容用穴部と、当該試料チューブ受容用穴部に配置された試料チューブに対する測定用光の入射用開口および当該試料チューブからの検出用光の出射用開口が当該試料チューブ受容用穴部の内周面における互いに対向する位置に開口する導光路空間とを有する構造体を備えており、
前記試料チューブ受容用穴部の内周面に、前記入射用開口が形成されたレベルにおいて前記試料チューブのテーパー部の外周面に当接して当該試料チューブの挿入位置を前記構造体に対して位置決めする突起部を有することを特徴とする。

本発明の光測定装置においては、前記突起部が、前記導光路空間内を通過する測定用光の光軸のレベル位置に位置されていることが好ましい。

本発明の光測定装置によれば、試料チューブの試料チューブ受容用穴部に対する挿入位置が突起部によって構造体に対して位置決めされるので、使用される試料チューブの形状やサイズに拘わらず、測定光路長を実質的に一定の大きさとすることができ、高い精度の測定結果を得ることができる。

本発明の光測定装置に係る構造体の一例における構成の概略を示す断面図である。図１におけるＰＱＲＳ包囲部分を示す拡大図である。本発明の光測定装置に係る構造体の他の例における要部の構成を概略的に示す断面図である。図３におけるＡ−Ａ線断面図である。

本発明の光測定装置は、持ち運びが容易な小型なものとして構成されており、例えば、試料チューブ内に収容された液体状の測定試料における測定対象物質の濃度などを測定するためなどに用いられるものである。以下においては、本発明の光測定装置について、吸光度測定器として構成されたものを例に挙げて説明する。測定対象物質としては、例えば大腸菌、タンパク質、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）によって増幅されて得られたＤＮＡ、色素などを例示することができる。

本発明の光測定装置は、試料チューブを受容する試料チューブ受容用穴部と、試料チューブ受容用穴部に配置された試料チューブに対する測定用光の入射用開口および当該試料チューブからの検出用光の出射用開口が試料チューブ受容用穴部の内周面における互いに対向する位置に開口する導光路空間とを有する構造体を備えている。
試料チューブ４５は、例えばマイクロチューブなどであって、底部に向かうに従って外径が小さくなるテーパー部４６を有するものである（図１参照。）。

図１は、本発明の光測定装置に係る構造体の一例における構成の概略を示す断面図である。図２は、図１におけるＰＱＲＳ包囲部分を示す拡大図である。
この構造体１０は、光源部２０および受光部２５が導光路形成部材１１によって保持されると共に試料ブラケット３０が導光路形成部材１１に設けられて構成されている。

導光路形成部材１１は、例えばブロック状であって、円柱状の導光路空間１２を形成する底面に対して水平に延びる貫通孔１３と、上面に開口する底部に向かって小径となる円錐台状の空間部を形成する中央貫通孔１６とを有する。中央貫通孔１６の中心軸は、貫通孔１３の中心軸と直交している。

導光路形成部材１１は、例えば光吸収性を有する材料により構成されていることが好ましく、特に、試料チューブから出射される検出用光以外の光に対して吸収性を有する弾性材料により構成されていることが好ましい。これにより、導光路空間１２の壁面において検出用光以外の光の反射、散乱を抑制することができて、受光部２５に対して検出用光のみを入射させることができる。
光吸収性を有する弾性材料としては、具体的には、カーボンブラックやカーボンナノチューブなどが分散された、黒色のポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）などのシリコーン樹脂を好ましく用いることができる。

導光路形成部材１１における貫通孔１３の一端には、光源部２０が配置されており、貫通孔１３の他端には、受光部２５が配置されている。

光源部２０は、基板２１と、基板２１に設けられた光源２２とにより構成されている。光源２２は、導光路形成部材１１における導光路空間１２内において、その光軸が導光路空間１２の中心軸と同軸上に位置された状態で、設けられている。光源２２としては、例えば白色光を放射する白色ＬＥＤなどを用いることができる。

受光部２５は、センサ基板２６と、センサ基板２６に設けられた受光センサ２７とにより構成されている。受光センサ２７は、導光路形成部材１１における導光路空間１２内において受光面が光源２２と対向する状態で設けられている。受光センサ２７としては、例えばＲＧＢカラーセンサなどのフォトダイオードを用いることができる。

試料ブラケット３０は、水平に延びる板状部３１と、この板状部３１の底面側において板状部３１に対して垂直に延びる円錐台状の筒状部３２とを有する。この試料ブラケット３０は、筒状部３２が導光路形成部材１１の中央貫通孔１６に嵌合されて設けられており、これにより、筒状部３２の内部空間によって、試料チューブ受容用穴部１８が形成されている。

試料ブラケット３０の筒状部３２には、筒状部３２の内部空間と導光路形成部材１１の導光路空間１２を連通させる連通孔３８ａ，３８ｂが形成されている。連通孔３８ａ，３８ｂは、導光路形成部材１１の導光路空間１２の中心軸と同軸上に位置されており、測定用光の入射用開口１４ａおよび検出用光の出射用開口１４ｂが、試料チューブ受容用穴部１８の内周面における互いに対向する位置に開口している。これにより、導光路空間１２の中心軸を光軸Ｏとする、光源２２から試料チューブ受容用穴部１８を介して受光センサ２７に至る測定用光および検出用光の光路が形成されている。

試料ブラケット３０の上面には、筒状部３２の試料チューブ挿入用開口の周囲を囲むよう円筒状の支持部３４が上下方向に延びるよう形成されている。支持部３４の内周面には、例えばスポンジなどの弾性体４０が設けられている。この支持部３４は、試料チューブ受容用穴部１８に配置された試料チューブ４５の径方向の位置規制部材として機能し、従って、試料チューブ４５は、その中心軸が上下方向に延びる姿勢で、試料チューブ受容用穴部１８に配置される。支持部３４の内周面に弾性体４０が設けられていることにより、弾性体４０が試料チューブ４５の外径寸法に応じて弾性的に変形することによって、用いられる試料チューブ４５の寸法差を吸収することができる。

而して、本発明に係る構造体においては、試料チューブ受容用穴部１８の内周面に、測定用光の入射用開口１４ａが形成されたレベルにおいて試料チューブ４５のテーパー部４６の外周面に当接して試料チューブ４５の挿入位置を構造体１０に対して位置決めする突起部３５を有する。入射用開口１４ａのレベルとは、入射用開口１４ａの上縁レベル位置Ｌ_Hと下縁レベル位置Ｌ_Lの範囲内のレベルをいう。突起部３５は、当該範囲内のレベルに位置されていればよいが、導光路空間１２の中心軸すなわち導光路空間１２内を通過する測定用光の光軸Ｏのレベル位置に位置されていることが好ましい。これにより、使用される試料チューブ４５の形状およびサイズの差による測定光路長Ｌ_Oの差を可及的に小さくすることができ、高い精度で測定を行うことができる。測定光路長Ｌ_Oは、測定用光が試料チューブ４５内の測定試料を透過する距離であって、この例では、測定用光の光軸Ｏ上における試料チューブ４５の内径の大きさで示される。

突起部３５は、試料チューブ受容用穴部１８の中心軸Ｃおよび導光路空間１２の中心軸を含む断面において、試料チューブ受容用穴部１８の開口縁位置を通る、筒状部３２の外周縁に平行な仮想直線Ｎに対して、試料チューブ受容用穴部１８の中心軸方向に突出する形状とされていればよい。

この例における突起部３５は、試料チューブ受容用穴部１８の周方向の全周にわたって延びる環状突起により構成されており、頂部が測定用光の光軸Ｏのレベル位置に位置されている。具体的には、環状突起は、試料チューブ受容用穴部１８の中心軸Ｃおよび導光路の光軸を含む断面において、試料チューブ受容用穴部１８の内周面を構成する第一の傾斜面３３ａおよび第二の傾斜面３３ｂによって形成されている。第一の傾斜面３３ａおよび第二の傾斜面３３ｂは、試料チューブ受容用穴部１８の中心軸に対する傾斜角度が互いに異なっており、当該傾斜面３３ａ，３３ｂによる稜線部分が試料チューブ４５のテーパー部４６の外周面に当接する。突起部３５は凸曲面を有する形状とされていてもよい。

構造体１０の一構成例を示すと、導光路形成部材１１における貫通孔１３（導光路空間１２）の内径がφ３．０ｍｍである。試料ブラケット３０における連通孔３８ａ，３８ｂの内径はφ１．７ｍｍである。試料チューブ受容用穴部１８の試料チューブ挿入用開口の開口径がφ７ｍｍ、入射用開口１４ａのレベルにおける内径がφ３〜φ４ｍｍである。光源２２と受光センサ２７との距離は３５ｍｍ、測定光路長Ｌ_Oは２．５〜４．０ｍｍである。

以下、上記の構造体１０を備えた光測定装置（吸光度測定器）における光学測定について説明する。
構造体１０においては、光源２２から出射された測定用光が、試料チューブ受容用穴部１８に受容された試料チューブ４５内の液体状の測定試料に照射され、試料チューブ４５内の測定試料を透過して出射された検出用光が受光センサ２７によって検出される。このとき、測定用光は、測定試料に含まれる測定対象物質の濃度に応じて吸収されて光量が低下することとなる。具体的には、測定用光が測定試料を透過する際、その透過率が測定対象物質の濃度に応じて測定光路長に対して指数関数的に減衰する。従って、試料チューブ４５内の測定試料を透過して出射される検出用光の光量を検出することにより、測定用光の光量の低下の程度すなわち吸光度に応じた測定対象物質の濃度を測定することができる。測定対象物質の濃度は、例えば、予め既知の濃度の測定対象物質の標準溶液を基準試料として測定を行うことにより検量線を作成しておき、受光センサ２７によって検出された検出用光の光量を当該検量線に対照することにより得ることができる。

而して、上記の構造体１０を備えた光測定装置においては、構造体１０における試料チューブ受容用穴部１８の内周面に形成された突起部３５によって、試料チューブ受容用穴部１８に対する挿入が許容される試料チューブ４５の最大外径の大きさが規制される。すなわち、突起部３５は、試料チューブ４５のテーパー部４６における一定の外径寸法を有する位置に当接されることとなる。これにより、試料チューブ４５の挿入位置が構造体１０に対して位置決めされる。その結果、突起部３５は、入射用開口１４ａのレベルに位置されていることから、使用される試料チューブ４５の形状やサイズに拘わらず、測定光路長Ｌ_Oを実質的に一定の大きさとすることができる。従って、上記の光測定装置によれば、試料チューブ４５毎に光路長Ｌ_Oが変動することによる測定誤差が生ずることが殆どなく、高い精度の測定結果を得ることができる。

このように、本発明の光測定装置は、持ち運びが容易な小型のものとして構成されたものでありながら、高い精度の測定結果を得ることができ、また、光学調整等も行う必要がないものであるため、例えばポイントオブケア検査に好適なものとなる。

以上、本発明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、種々の変更を加えることができる。
例えば、突起部は、試料チューブ受容用穴部の内周面における周方向の全周にわたって延びるよう形成された環状突起である必要はなく、例えば柱状突起により構成されていてもよい。
図３は、本発明の光測定装置に係る構造体の他の例における要部の構成を概略的に示す断面図である。図４は、図３におけるＡ−Ａ線断面図である。この構造体においては、各々入射用開口１４ａの上縁レベル位置（Ａ−Ａ線の位置）において試料チューブ４５のテーパー部４６の外周面に当接する複数の柱状突起３６により突起部３５が構成されている。柱状突起３６の数および位置は、特に限定されず、試料チューブ４５を適正な姿勢で支持することができればよい。なお、図３および図４は、理解を容易にするために、柱状突起３６を強調して描かれているが、実際には、測定用光の光軸Ｏ上での、試料チューブ受容用穴部１８の内周面と試料チューブ４５のテーパー部４６の外周面との間の距離は、例えば０．３〜０．５ｍｍ程度である。
このような構成の構造体を備えたものであっても、上記実施例に係る構造体を備えた光測定装置と同様の効果を得ることができる。

また、構造体において、試料ブラケットは必須のものではなく、導光路形成部材に対して、試科チューブが直接挿抜される構成とされていてもよい。この場合には、導光路形成部材における中央貫通孔の内周面における所定の位置に突起部を形成すればよい。しかしながら、導光路形成部材が弾性材料によって形成されている場合は、例えばポリプロピレン製の試料チューブとの間の摩擦が大きくなるために挿抜しにくいことがある。従って、本発明の光測定装置においては、構造体は試料ブラケットを備えた構成とされることが好ましい。

さらにまた、本発明の光測定装置においては、試料チューブ内の測定試料を化学的または物理的に加熱処理する、あるいは、試料チューブ内の測定試料を一定の温度条件で光学測定するために加熱する加熱機構が設けられていてもよい。このような構成のものにおいては、さらに、加熱された試料チューブを循環冷却風によって急速に冷却する冷却用ファンやペルチェ素子が設けられていることが好ましい。

以上においては、本発明の光測定装置が吸光度測定器として構成された実施例について説明したが、測定試料から発せられる蛍光を検出用光として検出する蛍光測定器として構成されていてもよい。

１０構造体
１１導光路形成部材
１２導光路空間
１３貫通孔
１４ａ入射用開口
１４ｂ出射用開口
１６中央貫通孔
１８試料チューブ受容用穴部
２０光源部
２１基板
２２光源
２５受光部
２６センサ基板
２７受光センサ
３０試料ブラケット
３１板状部
３２筒状部
３３ａ第一の傾斜面
３３ｂ第二の傾斜面
３４支持部
３５突起部
３６柱状突起
３８ａ連通孔
３８ｂ連通孔
４０弾性体
４５試料チューブ
４６テーパー部

Claims

底部に向かうに従って外径が次第に小さくなるテーパー部を有する試料チューブを受容する円錐台状の試料チューブ受容用穴部と、当該試料チューブ受容用穴部に配置された試料チューブに対する測定用光の入射用開口および当該試料チューブからの検出用光の出射用開口が当該試料チューブ受容用穴部の内周面における互いに対向する位置に開口する導光路空間とを有する構造体を備えており、
前記試料チューブ受容用穴部の内周面には、前記入射用開口が形成されたレベルにおいて前記試料チューブのテーパー部の外周面に当接して当該試料チューブの挿入位置を前記構造体に対して位置決めする突起部を有することを特徴とする光測定装置。
前記突起部が、前記導光路空間内を通過する測定用光の光軸のレベル位置に位置されていることを特徴とする請求項１に記載の光測定装置。