JP6159600B2 - 発光分析用検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、臨床検査、医薬品分析、食品分析、環境分析等の分野で利用される発光分析用検出装置に関する。

皺を付けたアルミニウム箔でフローセルの出射口を除く部分を覆い、フローセル内部で出射口と異なる方向（光検出器と異なる方向）に発せられた光をアルミニウム箔で乱反射させて一部を出射口に導くことによって発光強度の測定感度の向上を図った装置が知られている（特許文献１等参照）。

特開２００３−２８７９０号公報

しかしながら、原子レベルでフローセルにアルミニウム箔を接触させることは難しく、フローセルの外面とアルミニウム箔との間には空気層が介在する。そのため、特許文献１の装置では、フローセル内で発せられた光をアルミニウム箔に到達させることは難しい。仮に空気層を挟まずにフローセルとアルミニウム箔とを接触させられたとしても、多かれ少なかれフローセル内で内部反射が繰り返される。そのため、アルミニウム箔の反射率によらず、出射口に到達するまでに散乱光は大きく減衰し得る。例えばアルミニウム箔の反射率を８５％とすると、光エネルギーは４回の内部反射で約５０％に、１４回の内部反射で約１０％に減少してしまう。したがって、光検出器への入射光量を増大させる効果が十分に得られない場合がある。

本発明の目的は、光検出効率を向上させることができる発光分析用検出装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、光検出器に対向配置した光学窓における光検出器との対向面に光検出器との対向領域の一部又は対向領域を含む領域を除いて光拡散透過機構を設ける。

本発明によれば、光検出効率を向上させることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る発光分析用検出装置のベースモデルの断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る発光分析用検出装置の断面図である。 本発明の第１の実施の形態に備えられた光拡散透過機構の平面図である。 本発明の第１の実施の形態に備えられた光拡散透過機構の開口直径と発光強度との関係の光線追跡シミュレーションによる結果を示すグラフである。 全反射臨界直径の説明図である。 本発明の第２の実施の形態に係る発光分析用検出装置に用いられる光拡散透過機構の部分断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る発光分析用検出装置に用いられる光拡散透過機構の部分断面図である。 本発明の第４の実施の形態に係る発光分析用検出装置の断面図である。 レンズで集光する場合の問題点の説明図である。 本発明の一実施の形態に係る自動分析装置を模式的に示した平面図である。

発光分析は微量成分の分析に用いられる手法の一つであり、一般的に吸収測定よりも感度が高く、環境分析、医薬品分析、食品分析、臨床検査等の分野で広く利用される。ここで言う発光とは、励起状態の物質が基底状態に遷移する際に光を発することをいう。発光は電子の励起の要因によって分類される。例えば、熱で電子が励起された場合の発光は熱放射、光照射で電子が励起された場合の発光はフォトルミネッセンス、電圧で電子が励起された場合の発光はエレクトロルミネッセンスといったように分類される。本発明に係る発光分析用検出装置は、これら各種発光態様の発光分析に適用可能な測定容器である。

以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。

各実施の形態では、化学発光による発光分析に本発明を適用した場合を例に挙げて説明する。化学発光も発光の一態様であり、化学反応により生成された物質が励起状態から基底状態に遷移するときに光を放出する現象である。酵素によって化学反応を促すホタル等の生物発光は化学発光の一種である。化学発光による分析は、一般に、例えば、まず対応する送液手段を介して供給される少なくとも一種の化学発光試薬を混合した溶液（試料）を測定容器に供給して化学反応させる。その後、光電子倍増管やフォトダイオード等の光電変換素子を用いた光検出器によってフローセル内で化学発光によって溶液から発せられる光を検出する。そして、光電変換素子で入射光量に応じた電流強度に変換し、これに基づいて発光強度の測定を行う。

（第１の実施の形態）
１．構成
図１は本発明の第１の実施の形態に係る発光分析用検出装置のベースモデルの断面図である。図示したベースモデルは後述するマイクロレンズシート２０１（図２参照）を省略した半製品に相当する。

同図に示したベースモデルは、セルベース１０１、窓材１０４、及び光検出器１０６を備えている。

セルベース１０１は、試料（分析対象）を発光分析するための分析領域１０２を有する部材であって、当該発光分析用検出装置の底部を構成する。分析領域１０２は、窓材１０４を挟んで光検出器１０６に対向していて、分析領域１０２で試料から発せられた光が窓材１０４を透過して光検出器１０６に入射する。本実施の形態では、分析領域１０２を平面視で５ｍｍ×５ｍｍの四角形状とし、当該分析領域１０２に試料を入れて発光分析を実施する場合を例示している。但し、分析領域１０２を流路として形成し、分析領域１０２に試料を流通させる構成とすることも考えられ得る。

窓材１０４は、セルベース１０１とともに測定容器を構成するもので、キャビティ１０３を介して分析領域１０２に対面している。キャビティ１０３は、所定の厚さ（上下方向の寸法）の空間である。本実施の形態におけるキャビティ１０３の厚みは例えば０．５ｍｍ程度とする。このキャビティ１０３は、分析領域１０２の全面を覆っていて、発光分析時には水と同じ屈折率１．３３の液体で満たされる。窓材１０４は、分析領域１０２の試料から発せられた光を光検出器１０６で観察するための光学窓をなす部材であり、分析領域１０２で試料から発せられる光を透す材質（例えばアクリル）で構成されていて、キャビティ１０３の全面を覆っている。本実施の形態では、例えば窓材１０４の厚み（上下方向の寸法）を４ｍｍ、屈折率を１．４９とする。

光検出器１０６は、窓材１０４を透過した光を検出するセンサであり、例えば光電子増倍管を用いることができる。光検出器１０６の底部には受光面である光電面１０７が設けられている。光電面１０７は、本実施の形態では空気層１０５を介して窓材１０４に対向していて、例えば直径１５ｍｍ程度とする。本実施の形態では、空気層１０５の厚み（上下方向の寸法）を３ｍｍ、屈折率を１．００とする。また、光検出器１０６は、上記のセルベース１０１、窓材１０４とともにカバー１０８で覆われている。

上記構成のベースモデルにおいては、分析領域１０２で試料から発せられた光は、キャビティ１０３及び窓材１０４を透過して測定容器の外部（本実施の形態では空気層１０５）に取り出される。測定容器から出射した光は空気層１０５を通過して光検出器１０６の光電面１０７に入射し、電気信号に光電変換される。なお、キャビティ１０３の光の入射面（検出領域１０２の上面）、キャビティ１０３と窓材１０４の界面、窓材１０４と空気層１０５の界面、光電面１０７は全て実質的に平行であり、本実施の形態においては水平であることとする。

図１に示した部分拡大図１０９は分析領域１０２の水平面上の中央付近の拡大図である。図１に示した光１１０は、ベースモデルにおいて分析領域１０２の中央から発せられて光電面１０７に直接入射する光のうち最大の角度（分析領域１０２の中央を通る法線Ｌに対してなす角度）で進行する光である。本実施の形態においては、法線Ｌは鉛直に延在している。分析領域１０２の中央から出た光は、キャビティ１０３を満たす水の中を進行し、窓材１０４との界面で屈折し、さらに窓材１０４と空気層１０５の界面で屈折して光電面１０７に到達する。したがって、光電面１０７の大きさに制約されて光１１０よりも大きな角度方向に進行する光は光電面１０７に直接には到達しない。光１１０の水中の角度（分析領域１０２の中央を通る法線Ｌに対してなす角度）は３８．５度である。この角度はスネルの法則に従って次式で求められる。

ｎ１・ｓｉｎθ１＝ｎ２・ｓｉｎθ２
但し、ｎ１，ｎ２は媒質１、２の屈折率、θ１は媒質１内における入射角、θ２は媒質２内における屈折角である。

また、窓材１０４と空気層１０５の界面における全反射臨界角は、本実施の形態の場合は水中（キャビティ１０３内）の角度に換算すると４８．８度である。この全反射臨界角で進行する光１１１及び光１１１よりも大きな角度で進行する光は窓材１０４と空気層１０５の臨界面で全反射する。従って全反射臨界角以上の角度で進行する光は、窓材１０４から空気層１０５に伝搬することができない。

以上の点をまとめると、図１に示したベースモデルの場合には、水中の角度で３８．５度から４８．８度の範囲で進行する光線は空気層１０５に到達しても光電面１０７に直接到達することはなく、また、水中の角度で４８．８度以上の範囲で進行する光線は窓材１０４と空気層１０５の界面を抜けることすらできない。従って、光１１０よりも大きな角度で進行する光は、光検出器１０６で受光されず光量の損失となっている。

図２は図１のベースモデルにマイクロレンズシート２０１を取り付けて完成させた本発明の第１の実施の形態に係る発光分析用検出装置の断面図である。図１と同様の部分には図２において同符号を付して説明を省略する。

図２に示したように、窓材１０４及び光検出器１０６の間（この例では窓材１０４の上面）には、マイクロレンズシート２０１が介在している。マイクロレンズシート２０１は、マイクロレンズを水平面内に複数並べて（敷き詰めて）形成したレンズ集合体であり、入射光を透して拡散（散乱）させる光拡散透過機構としての機能を果たす。また、マイクロレンズシート２０１は、窓材１０４に対してアクリル系ＵＶ接着剤（非常に薄いため図示せず）を用いて密着させてある。マイクロレンズシート２０１及び窓材１０４の間への空気の浸入による全反射発生を防止するためである。

ここで、本願明細書に記載する「光拡散透過機構」とは、入射してきた全光線の透過率及びヘイズが一定以上の面状の要素をいう。具体的には、光拡散透過機構の全光線透過率は６０％以上、ヘイズは３０％以上が好ましい。ヘイズとは、全光線に占める拡散透過光の割合である。また、全光線透過率及びヘイズは、ヘイズメーター（例えば日本電色工業製濁度計ＮＤＨ２０００）等を用いて、ＪＩＳ−Ｋ７１０５、ＪＩＳ−Ｋ７１３６、又はＩＳＯ１４７８２の何れかに示された方法によって評価することができる。全光線透過率が６０％未満の場合、光拡散透過機構を透過する光量が少ないため光のロスが大きくなる。また、ヘイズが３０％未満の場合、光拡散透過機構の拡散性能が不足し、不要な屈折光や全反射光の拡散によって光検出器１０６の検出光量の十分な増大が期待できない。

図３はマイクロレンズシート２０１の平面図である。図３には分析領域１０２及び窓材１０４を併せて図示してある。

同図に示したように、本実施の形態におけるマイクロレンズシート２０１は環状に構成されていて、その中央部に開口部２０２を有している。この開口部２０２は分析領域１０２に対向していて、分析領域１０２の中央を通る法線Ｌ（図２参照）、及び光検出器１０６の受光面（光電面１０７）の中央を通る法線を通すように配置されている。本実施の形態においては、光検出器１０６の受光面（光電面１０７）の中央を通る法線は法線Ｌに等しい例であるが、両法線が一致している必要は必ずしもない。仮に両法線にずれがある場合でも、両法線が開口部２０２を通るように構成する。本実施の形態では、例えばマイクロレンズシート２０１の内径Ｒ（開口部２０２の直径）は３ｍｍ、外径Ｚは４２ｍｍである。マイクロレンズシート２０１を構成するマイクロレンズは直径１μｍ程度の半球状のレンズであり、これらマイクロレンズが六方細密配置されている。本実施の形態においては、外径Ｚは空気層１０５の直径に等しく、光検出器１０６側から見える範囲において、窓材１０４の上面には開口部２０２を除いてマイクロレンズが敷き詰められている。光検出器１０６の光電面１０７から法線Ｌに沿って見た場合、分析領域１０２は開口部２０２に収まって見える。また、マイクロレンズシート２０１の全光線透過率及びヘイズをＪＩＳ−Ｋ７１３６に従って評価したところ、本実施の形態においてはそれぞれ８８％、５７％であった。

２．効果
マイクロレンズシート２０１を構成するマイクロレンズは表面が半球状であるため、光の入射角の僅かな違いによって様々な方向に光を散乱させる機能を有する。分析領域１０２の中央部から光１１０（図１参照）よりも大きな角度で進行する光（ベースモデルにおいては測定容器から空気層１０５には取り出されるが光電面１０７に入射しない光）に対しても、マイクロレンズは機能する。また、全反射臨界角の方向に進行する光１１１（図１参照）よりも大きな角度方向に進行する光（ベースモデルにおいては窓材１０４と空気層１０５の界面で全反射して測定容器内に閉じ込められていた光）に対しても、マイクロレンズは機能する。マイクロレンズに入射した光は、様々な方向に散乱して一定の割合で空気層１０５中に取り出される。空気層１０５中に取り出された光の一部は、内部反射を繰り返すことなくマイクロレンズから光検出器１０６の光電面１０７に直接入射する。他方、マイクロレンズシート２０１に開口部２０２を設けたことにより、光１１０よりも小さな角度方向に進行する光については、開口部２０２を通過させて散乱させることなく光電面１０７に直接入射する。即ち、本実施の形態によれば、マイクロレンズシート２０１がなければ光電面１０７に入射しない光を、マイクロレンズシート２０１を設けたことによってエネルギーの減衰を抑制しつつ効率的に光電面１０７に導くことができる。従って、光検出器への入射光量を増大させることができ、試料の発光強度を精度良く測定することができる。

ここで、図４はマイクロレンズシート２０１の開口直径Ｒと発光強度との関係の光線追跡シミュレーションによる結果を示すグラフである。発光強度は任意単位であり、Ｒ＝０の場合を１としている。

同図には示していないが、マイクレンズシート２０１を省略した構成（図１のベースモデルの構成）についてシミュレーションした結果、発光強度はマイクロレンズシート２０１を全面に形成した場合（Ｒ＝０の場合）と同じであった。即ち、マイクロレンズシート２０１を空気層１０５に面する窓材１０４の全体に敷き詰めた場合、全反射こそ抑制されるものの、意外にも光電面１０７への入射光量（検出光量）の増大は全く模擬されなかった。

これに対し、マイクロレンズシート２０１の開口部２０２の直径Ｒを大きくしていくに連れて検出光量は増大し、Ｒ＝８．４ｍｍで最大値となった。このときの開口直径Ｒ（この例では８．４ｍｍ）を全反射臨界直径という（後述）。全反射臨界直径における検出光量はＲ＝０ｍｍの場合より約５５％増大する結果となった。また、全反射臨界直径の５０％の開口径Ｒ（＝４．２ｍｍ）ではＲ＝０ｍｍの場合に対して３３％、１５０％の開口径Ｒ（＝１２．６ｍｍ）では３５％検出光量が増大する結果となった。また、全反射臨界直径の約３０％の開口径Ｒ（＝２．５ｍｍ）でも１５％、約３００％の開口径Ｒ（＝２５ｍｍ）でも１７％検出光量が増大する結果となった。

整理すると、まず、全反射臨界直径（Ｒ＝８．４ｍｍ）の３０〜３００％程度の範囲（２．５〜２５ｍｍ）に開口直径Ｒを設定すれば、Ｒ＝０ｍｍの場合に対して少なくとも１５％以上の検出光量の増大が見込まれる。検出光量が１５％増大する場合、窓材１０４と光検出器１０６の間に各種光学フィルタ（短波長カットフィルタ、長波長カットフィルタ、偏光板等）を挿入したときにフィルタ表面における光反射による損失（フィルタの表裏両面を合わせて一般に５〜１５％程度）を補償することができる。

また、全反射臨界直径（Ｒ＝８．４ｍｍ）の５０〜１５０％の範囲（４．２〜１２．６ｍｍ）に開口直径Ｒを設定すれば、特に大きな効果が期待でき、Ｒ＝０ｍｍの場合に対して少なくとも３０％以上の検出光量の増大が見込まれる。検出光量が３０％増大する場合、窓材１０４と光検出器１０６の間に各種光学フィルタ（短波長カットフィルタ、長波長カットフィルタ、偏光板等）を２枚、挿入しても光量の損失（一般に約１０〜３０％程度）を補償することができる。したがって、短波長カットフィルタと長波長カットフィルタを併用したい場合等、機能の異なる光学フィルタを併用したいときでも、光学フィルタの設置による検出光量の損失を補うことができる。

また、以上の結果は、アクリル系ＵＶ接着剤を用いる等して空気層を介することなくマイクロレンズシート２０１を窓材１０４に接触させ、窓材１０４と空気層１０５の間における屈折や全反射を抑制したことにも起因するものと考えられる。全反射臨界直径が８．４ｍｍとなった理由を次に検討する。

図５は全反射臨界直径を説明するための図である。

全反射臨界直径とは、分析領域１０２の中心位置（法線Ｌとの交点）から発せられて全反射臨界角の方向に進む光１１１が到達する窓材１０４の上面上の点と法線Ｌとの最短距離（半径）を２倍した値である。全反射臨界直径をＹとすると、前述した通り、本実施の形態ではＹ＝８．４ｍｍである。全反射臨界直径Ｙは次式で計算される。

但し、ｉは分析領域１０２を出た光が通過する層の番号（本実施の形態では、キャビティ１０３がｉ＝１、窓材１０４がｉ＝２）、Ｘｉは各層における当該層の延在方向への光の広がり、Ｌｉは各層の厚み、θｉは各層における光の進行角度である。ここでは全反射する光を対象とするため、θ１＝４８．８度であり、スネルの法則に基づき、θ２＝４２．２度である。従って、分析領域１０２の中央から発せられた光は、窓材１０４の上面における法線Ｌを中心とする直径８．４ｍｍ（＝Ｙ）の円の外側に到達すると全反射する。マイクロレンズシート２０１の開口部２０２の直径Ｒを８．４ｍｍに設定した場合に検出光量が最大になったのはこのためであると考えられる。

開口直径Ｒが８．４ｍｍよりも小さい場合、分析領域１０２の中央から発せられて水中（キャビティ１０３中）を０〜３８．５度の角度で進行する光線（光電面１０７に入射する軌道の光線）の一部が散乱して光電面１０７から外れ得る。しかし、分析領域１０２に広さ（本実施の形態の場合は５ｍｍ×５ｍｍの矩形）があって中央からずれた位置でも発光している。つまり、中央以外の位置から全反射臨界角よりも大きな角度で発せられてマイクロレンズシート２０１に入射せずに光電面１０７に直接入射する光線も存在し得る。開口直径Ｒが８．４ｍｍよりも小さくてもベースモデルに比べて検出光量が増大するのは、分析領域１０２の中央以外の位置から全反射臨界角よりも大きな角度で発せられてマイクロレンズシート２０１に入射せずに光電面１０７に直接入射する光量に比べて、分析領域１０２の中央から発せられてマイクロレンズで散乱し光電面１０７から外れた光量が少ないためと考えられる。

開口直径Ｒが８．４ｍｍより大きくても検出光量が増大するのは、水中（キャビティ１０３中）を３８．５度よりも大きい角度で進行する光線（ベースモデルでは光電面１０７に入射しない軌道の光線）の一部が光電面１０７に導かれるためである。

ここで、全反射臨界角や全反射臨界直径は、窓材１０４、キャビティ１０３、空気層１０５の厚みや屈折率、光電面１０７の面積等によって値が変わる。例えば窓材１０４の厚みを１ｍｍに変更した場合には全反射臨界直径Ｙは２．９６ｍｍに、窓材１０４の厚みを１０ｍｍに変更した場合には全反射臨界直径Ｙは１９．３ｍｍにそれぞれ変化した。しかし、同様の光線追跡シミュレーションの結果、窓材１０４の厚み等の設定に関係なく、開口直径Ｒ＝Ｙ（全反射臨界直径）のマイクロレンズシート２０１を同様に配置した場合に検出光量が最大となることが確認された。また、窓材１０４の厚み等の設定に関係なく、全反射臨界直径Ｙの５０〜１５０％の開口径Ｒで３０％以上、３０〜３００％の開口径Ｒで１５％以上、それぞれ検出光量が増大することも確認された。

なお、本実施の形態では層番号ｉは１又は２であるが、屈折率の異なる別の層が追加される場合でも、層数を踏まえ改めて数式１に従って全反射臨界直径を計算することができる。

（第２の実施の形態）
本実施の形態が第１の実施の形態と相違する点は、光拡散透過機構の構成にある。第１の実施の形態では光拡散透過機構としてマイクロレンズシート２０１を用いた場合を例示して説明したが、同様の機能を有する部材であれば光拡散透過機構はマイクロレンズシート２０１に限定されない。光拡散透過機構の他の例について本実施の形態（第２の実施の形態）及び次の実施の形態（第３の実施の形態）で例示する。

図６は本発明の第２の実施の形態に係る発光分析用検出装置に用いられる光拡散透過機構の部分断面図である。

同図に示した光拡散透過機構３００は、光を散乱させる透明な微粒子３０２を透明な基材３０１に分散させて形成したものである。平面図は特に図示していないが、平面視における巨視的形状はマイクロレンズシート２０１と同様である。即ち、光拡散透過機構３００は、マイクロレンズシート２０１のマイクロレンズを敷き詰めた部分を置き換えるものであって、中央に開口部を有することは勿論、開口径Ｒの設定や位置もマイクロレンズシート２０１と基本的に同様である。

基材３０１は例えば層状又は平板状の部材であって、その材質としては、電離線硬化型樹脂、熱硬化型樹脂、熱可塑性樹脂等の透明樹脂が挙げられる。電離線としては、例えば、ＵＶ（紫外線）、可視光、赤外線、電子線が挙げられる。具体的にはアクリレート樹脂（エポキシアクリレート、ポリエステルアクリレート、アクリルアクリレート、エーテルアクリレート）等のラジカル重合型モノマー、オリゴマー、若しくはエポキシ樹脂等が挙げられる。必要に応じて開始剤を添加することもできる。開始剤としては、ＵＶラジカル発生剤（チバ・スペシャリティ・ケミカル社製イルガキュア９０７、同１２７、同１９２等）、過酸化ベンゾイル等が挙げられる。他の樹脂成分の代表例としては、脂肪族系（例えば、ポリオレフィン）樹脂、ウレタン系樹脂が挙げられる。基材３０１の屈折率は、検出光量の増大を図る観点では１．４〜１．６程度が好ましい。

微粒子３０２は可視光を吸収しない又は吸収し難い材質（例えば可視光の吸収率が３０％以下の材質）の粒子で、例えば、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｔａ_２Ｏ_３、ＺｎＯ_２、Ｓｂ_２Ｏ_３、ＺｒＳｉＯ_４、ＢａＴｉＯ_３、ゼオライト若しくはそれらの多孔性物質又はそれらを主成分とする材質からなる無機粒子の他、アクリル樹脂、スチレン樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂等からなる有機粒子が挙げられる。特に、無機粒子が好ましく、中でもＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、多孔質ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＢａＴｉＯ_３、ゼオライトからなるものが好ましい。また、微粒子３０２は１種でも良いし２種以上を混在させても良い。更に、微粒子３０２は基材３０１中に分散させた空隙（気泡）であっても良い。有効な光散乱（Ｍｉｅ散乱）をさせるための粒子サイズは、１００ｎｍ以上、好ましくは２００ｎｍ以上であり、通常１０μｍ以下、より好ましくは５μｍ以下である。

光拡散透過機構３００は、例えば透明樹脂前駆体（基材３０１の前駆体）に微粒子３０２を分散させた塗布液を図示しない透明基材（窓材１０４又は他の透明基材）の表面に塗布することによって形成することができる。塗布液中の微粒子３０２含有量は、形成される光拡散透過機構３００において多重にＭｉｅ散乱が起こるように調整する。塗布方法としては、スピンコート、ディップコート、ダイコート、キャスト、スプレーコート、グラビアコート等を挙げることができる。膜の均質性の観点においては、スピンコート、ディップコート、ダイコートが好ましい。光拡散透過機構３００の厚みは２μｍ以上１００μｍ以下であることが望ましい。２μｍより薄いと光を散乱する微粒子３０２を十分な濃度で混合することが難しくなる。１００μｍよりも厚いと塗布形成が難しい。また光拡散透過機構３００における微粒子３０２の体積割合は１体積％以上４０体積％以下が特に望ましい。１体積％未満であると微粒子濃度が小さく光が散乱し難い。４０体積％より多いと、散乱過剰になって光検出器１０６側に出る光量が不十分になり得る。

本実施の形態のようにマイクロレンズシート２０１を光拡散透過機構３００に代替しても第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

（第３の実施の形態）
図７は本発明の第３の実施の形態に係る発光分析用検出装置に用いられる光拡散透過機構の部分断面図である。前述した通り、本実施の形態が第１の実施の形態と相違する点も光拡散透過機構の構成にある。

同図に示した光拡散透過機構４００は、透明な基材４０１の表面（光検出器１０６の受光面１０７との対向面）に凹凸４０２を複数並べて形成した板状又は層状のものである。この光拡散透過機構４００は、光拡散透過機構３００と同様、マイクロレンズシート２０１のマイクロレンズを敷き詰めた部分を置き換えるものであって、中央に開口部を有することは勿論、開口径Ｒの設定や位置についてもマイクロレンズシート２０１と基本的に同様である。基材４０１は窓材１０４の表層で兼ねても良いし、透明樹脂材料やガラスで形成した別途の板状部材を用いても良い。基材４０１を別途用意する場合には、接着剤等によって基材４０１を窓材１０４に対して空気層を介さずに取り付ける。
基材４０１と凹凸４０２は同一の材料又は同程度の屈折率の材料からなっている。凹凸４０２は、代表的にはピラミッド状、コーン状、マイクロレンズ状等といった形成であり、基材４０１の表面に均一又は不均一に繰返し形成されている。

例えば不均一な凹凸４０２は、基材４０１の表面をやすりやサンドブラスト等により荒らすことで形成することができる。光拡散透過機構４００と空気層１０５との界面における光線の全反射を低減するために、凹凸４０２による光拡散透過機構４００の表面粗さＲａは、１００ｎｍ以上が好ましく、１０００ｎｍ以上がより好ましい。この表面粗さＲａは、ＪＩＳ−Ｂ０６０１：２００１に規定されている基準に基づき、ケーエルエー・テンコール社製Ｐ−１５型接触式表面粗さ計を用いて、１走査距離０．５μｍの条件で行った数回の測定結果を平均することで求めることができる。

また、ピラミッド形状、コーン形状、マイクロレンズ形状等の略均一な凹凸４０２は、インクジェット法、レジスト・リフロー法等の既知の方法により形成することができる。金型を用いて基材４０１の表面を紫外線硬化又は熱硬化させることによっても形成することができる。均一形状の凹凸４０２は、例えば六方細密のように規則的に配置することも不規則に配列することもできる。凹凸４０２を構成する凸部の底面寸法（ピラミッド形状であれば大きい方の底面幅、コーン形状及びマイクロレンズ形状であれば底面の直径）は、分析領域１０２に対して十分に小さいことが望ましい。具体的には、分析領域１０２の大きさの５分の１以下がよい。分析領域１０２の大きさとは、分析領域１０２が矩形状であれば該領域の短編の長さ、円形状であれば直径、その他の形状であれば該領域の最小内接円の直径をいう。

本実施の形態においても、分析領域１０２から出射して光拡散透過機構４００に入射した光は、凹凸４０２を介して空気層１０５中のランダムな方向に散乱し得る。従って、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

（第４の実施の形態）
図８は本発明の第４の実施の形態に係る発光分析用検出装置の断面図である。説明済みの実施の形態と同様の部分については同図において既出図面と同符号を付して説明を省略する。

同図に示した検出装置は、光拡散透過機構の開口部２０２を通過する光をより効率的に光検出器１０６に入射させるようになしたものである。具体的には、開口部２０２に一枚（又は一群）のレンズ６０１を配置してある。このレンズ６０１の直径はマイクロレンズシート２０１の開口部２０２の内径に合わせることが好ましく、全反射臨界直径に設定することが好ましい。本実施の形態では、レンズ６０１の直径を８．４ｍｍ、焦点距離を２１ｍｍ、中心部の厚みを２．８ｍｍ、曲率半径を７．８ｍｍとし、材質はアクリルとした。またマイクロレンズシート２０１と同じように、窓材１０４に対してアクリル系ＵＶ接着剤を用いて空気層を介することなくレンズ６０１を密着させた。レンズ６０１の底面の面積は、分析領域１０２の面積の５分の１以上であることが望ましい。５分の１未満の場合には、レンズ６０１を介さなくても光電面１０７に入射する光ばかりが当該レンズ６０１に入射することになるためである。その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

本実施の形態の場合、図１に示したベースモデルの状態に比べて検出光量が８０％程度増大することとなった。これは第１の実施の形態に比べて更に２５％向上したことになる。第１の実施の形態に対して本実施の形態において検出光量が増大したのは、光１１０（分析領域１０２の中央から出射してマイクロレンズシート２０１を介さず光電面１０７に入射する最大角度の光線）の角度よりも大きな角度でレンズ６０１に入射する光（具体的には、キャビティ１０３中の角度で３８．５〜４８．８度の光）が空気層１０５中に出射する際の屈折（角度）が抑制されることで、第１の実施の形態では光電面１０７から外れ得る光の一部が光電面１０７に導かれるためである。分析領域１０２の中心以外から発せられて開口部２０２を通過する光線の集光率も向上する。

なお、本願発明者等は、レンズによる集光を検討する過程で次の問題を知見している。即ち、窓材１０４と空気層１０５との界面で屈折又は全反射する光を広く光電面１０７に導くためには、窓材１０４を広範囲にレンズで覆わなければならない。そのため、レンズの横幅（例えば直径）が大きくなり、曲率が同じであればレンズの横幅が大きくなる程レンズの高さ（厚み）が大きくなってしまう。曲率を変えてレンズを薄くすれば、十分な集光自体が難しくなる。従って、窓材１０４から光電面１０７までの距離、ひいては分析領域１０２から光電面１０７までの距離が大きくなってしまい、かえって検出光量が減少し得る。図９はこの問題を説明するための図である。

図９に例示した検出装置では、光拡散透過機構を用いずに窓材７０４の全面を大口径レンズ７０１で覆ってある。大口径レンズ７０１は直径１５ｍｍ、焦点距離３７．５ｍｍ、中心厚５．０ｍｍ、曲率半径７．８ｍｍであり、材質はアクリルである。大口径レンズ７０１と窓材７０４はアクリル系ＵＶ接着剤を用いて密着させてある。他の構成は図８に示した本実施の形態と同様である。

大口径レンズ７０１は直径がレンズ６０１よりも大きいため、それだけ高さ（厚み）も大きくなる。このため、窓材７０４と光電面７０７との間隔を５．２ｍｍ程度確保せざるを得ない。シミュレーションの結果、検出光量は図１に示したベースモデルとの比較で１０％の増大に止まった。即ち、本実施の形態やとの比較で検出光量増大の効果が小さかった。同じ角度で進行する光線に対してレンズ６０１及び空気層１０５の界面とレンズ７０１及び空気層７０５の界面とで角度が異なり、また光電面とレンズとの位置関係が変化したため、図８に示した本実施の形態の構成ではレンズ６０１により光電面１０７に導かれた光６０２が光電面７０７に入射しないことによるものと考えられる。

従って、本実施の形態のように光拡散透過機構（例えばマイクロレンズシート２０１）の採用を前提として、光拡散透過機構の開口部２０２にレンズ６０１を配置することにより、窓材１０４と光電面１０７との距離を抑えつつ、光拡散透過機構による光散乱に起因する検出光量の増大の効果に、レンズ６０１による集光に起因する検出光量の増大の効果を付加して、更なる検出光量の増大の効果を得ることができる。

（第５の実施の形態）
図１０は本発明の一実施の形態に係る自動分析装置を模式的に示した平面図である。

自動分析装置は、血液や尿等の生体由来の液体試料を分析する装置である。生体由来の液体試料を高感度に分析するためには、多量の共存成分が含まれる試料中から分析対象成分を選択的に認識する技術が必須となる。例えば、がんマーカや感染症ウィルス、ホルモン等における抗原や抗体を試料（分析対象）とする免疫分析においては、血清中には多くの（例えば約７０ｇ／Ｌ程度）のたんぱく質成分が共存するのに対し、分析対象成分はｆ（フェムト）ｍｏｌ／Ｌ〜ｎ（ナノ）ｍｏｌ／Ｌオーダーの極微量である。

こうした高い感度が要求される生体試料分析においては、分析対象となる成分に選択的に結合する物質を利用することにより、分析対象を選択的に標識化及び分離する手段がとられている。例えば免疫分析において一般的に行われるサンドイッチ法では、次の（１）〜（３）に示すような工程で分析が行われる。
（１）分析対象の抗原に対し、磁性粒子の結合した第一の抗体、及び発光標識物質の結合した第二の抗体を混合して抗原抗体反応によって結合させる。
（２）永久磁石を利用して磁性粒子を磁気的に捕捉し、磁性粒子に結合していない共存成分を反応容器外に排出する。
（３）磁性粒子に結合している発光標識物質を発光させ、分析対象の抗原の濃度に依存した発光強度を測定する。

図１０に示した自動分析装置は、分析動作を実施するための分析部８０１、装置全体を制御するための制御部８０２、ユーザが情報を入力するための入力部８０３、及び情報を表示するための表示装置８０４を備えている。なお、入力部８０３は表示装置８０４で兼用しても良く、その一例としてタッチパネル式のモニタが挙げられる。

分析部８０１は、搬送機構８１２、試料プローブ８１３、チップ装脱着部８１４、チップマガジン８１５、反応容器マガジン８１６、チップ・反応容器搬送機構８１７、インキュベータ８１９、試薬ディスク８２１、試薬分注プローブ８２２、試薬プローブ洗浄部８２３、磁性粒子撹拌機構８２４、磁性粒子撹拌機構洗浄部８２５、検出装置８３１、及び検出装置用分注プローブ８３２を備えている。

搬送機構８１２は、試料が含まれる試料容器８１１を試料分注位置まで搬送する装置である。試料プローブ８１３は、試料を分注する装置である。チップ装脱着部８１４は、ディスポーザブルチップを試料プローブ８１３に装脱着する装置である。チップマガジン８１５は、ディスポーザブルチップを供給する装置である。反応容器マガジン８１６は、反応容器を供給する装置である。チップ・反応容器搬送機構８１７は、ディスポーザブルチップ及び反応容器を搬送する装置である。インキュベータ８１９は、反応容器内の反応液を一定温度で保持可能な開口部８１８を複数個備えた装置である。試薬ディスク８２１は、分析試薬を含む試薬容器８２０を保持する装置である。試薬分注プローブ８２２は、分析試薬をインキュベータ８１９に分注する装置である。試薬プローブ洗浄部８２３は、試薬分注プローブ８２２を水や洗浄液で洗浄する装置である。磁性粒子撹拌機構８２４は、磁性粒子を含む分析試薬を分注前に撹拌する装置である。磁性粒子撹拌機構洗浄部８２５は、磁性粒子撹拌機構８２４を水や洗浄液で洗浄する装置である。検出装置８３１は、発光検出を行う装置である。検出装置用分注プローブ８３２は、検出装置８３１に反応液を分注する装置である。発光試薬、洗浄液、プローブ洗浄液といった共通試薬を供給するためのボトルは、予備ボトルを含めて自動分析装置に複数個ずつ保管されており、各ボトル内に挿入される試薬チューブを通じて各試薬が対応する機構に供給される。

そして、上記検出装置８３１が本発明に係る発光分析用検出装置であり、例えば第１−第４の実施の形態に係る発光分析用検出装置のいずれかを適用することができ、光検出器１０６（図２等参照）からの電気信号を取り出す電気信号処理回路（図示せず）を含んでいる。次に、自動分析装置による分析工程の概要について説明する。

まず、反応容器マガジン８１６から供給された反応容器がインキュベータ８１９上に設置される。また、磁性粒子撹拌機構８２４により磁性粒子を含む測定試薬が撹拌され、当該試薬容器内で磁性粒子が懸濁する。次に、磁性粒子を含む測定試薬、及び第一の抗体が含まれる測定試薬が、試薬分注プローブ８２２によって反応容器内に分注されて混合され、一定時間のインキュベーションが実行される。その後、試料が含まれる試料容器８１１が搬送機構８１２により試料分取位置まで搬送され、チップ装脱着部８１４において試料プローブ８１３にディスポーザブルチップが装着され、当該試料プローブ８１３によってインキュベータ８１９上の反応容器に試料が分注される。更に、試薬分注プローブ８２２により反応容器内に第二の抗体が含まれる測定試薬が分注され、一定時間のインキュベーションが実行される。そして、検出装置用分注プローブ８３３によって反応容器内の液体が検出装置８３１に分注され、検出装置８１３において発光分析が実行される。発光分析によって得られた測定結果は、表示装置８０４に表示される。

前述した各実施の形態に係る発光分析用検出装置は検出光量を効果的に増加させることができるので、例えば図１０に示したような自動分析装置に適用することで、高感度に分析対象成分を測定、分析することができる。

また、本発明に係る発光分析用検出装置は簡素な構成であって容易にユニット化することができるので、定期的に検出装置を交換、メンテナンスすることも容易である。

（その他）
前述した各実施の形態においては、光検出器１０６に光電子増倍管を適用した場合を例に挙げて説明したが、例えばフォトダイオード等の他の光電変換素子を適用することもできる。また、各実施形態は、任意に組み合わせて所望の効果を得ることができる。

１０１ セルベース
１０２ 分析領域
１０４ 窓材
１０６ 光検出器
１１０ 光
１１１ 光
２０１ マイクロレンズシート（光拡散透過機構）
２０２ 開口部
３００ 光拡散透過機構
３０１ 基材
３０２ 粒子
４００ 光拡散透過機構
４０１ 基材
４０２ 凹凸
６０１ レンズ
６０２ 光
８０４ 表示装置
８２２ 試薬分注プローブ
８３１ 発光分析用検出装置
８３２ 検出装置用分注プローブ
Ｌ 法線
Ｙ 全反射臨界直径

Claims (9)

1. 試料を発光分析するための分析領域を有する部材と、
   前記分析領域で試料から発せられる光を透す窓材と、
   前記窓材を透過した光を検出する光検出器と、
   前記窓材及び前記光検出器の間に介在し、前記分析領域に対向する開口部を有する光拡散透過機構と
   を備えたことを特徴とする発光分析用検出装置。
2. 請求項１の発光分析用検出装置において、光拡散透過機構が、空気層を介することなく前記窓材に接触していることを特徴とする発光分析用検出装置。
3. 請求項２の発光分析用検出装置において、前記分析領域の中央を通る法線、及び前記光検出器の受光面の中央を通る法線が、前記開口部を通ることを特徴とする発光分析用検出装置。
4. 請求項３の発光分析用検出装置において、前記光拡散透過機構が、マイクロレンズを複数並べて形成したレンズ集合体であることを特徴とする発光分析用検出装置。
5. 請求項３の発光分析用検出装置において、前記光拡散透過機構が、透明な基材の表面に凹凸を複数並べて形成したもの、又は光を散乱させる粒子を透明な基材に分散させて形成したものであることを特徴とする発光分析用検出装置。
6. 請求項３の発光分析用検出装置において、前記開口部に配置したレンズを更に備えたことを特徴とする発光分析用検出装置。
7. 請求項１−６のいずれかの発光分析用検出装置において、前記開口部の直径が、前記分析領域の中央で試料から発せられた光の全反射臨界直径の５０％から１５０％までの間の値であることを特徴とする発光分析用検出装置。
8. 請求項１−６のいずれかの発光分析用検出装置において、前記開口部の直径が、前記分析領域の中央で試料から発せられた光の全反射臨界直径の３０％から３００％までの値であることを特徴とする発光分析用検出装置。
9. 反応容器に反応試薬を分注する試薬分注プローブと、
   請求項１の発光分析用検出装置と、
   反応容器内の反応液を試料として前記発光分析用検出装置に分注する検出装置用分注プローブと、
   前記発光分析用検出装置で得られた測定結果を表示する表示装置と
   を備えたことを特徴とする自動分析装置。

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