JP6258353B2 - 液滴内に含有されるサンプル分析のための光学測定装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、光学測定装置と、液体操作システムによって提供された液滴中に含有されるサンプル分析のための光学測定方法に関する。一般に、そのような液体操作システムは、少なくとも１つの液体操作チップを備え、その先端に液体操作軸と、液体操作オリフィスとを有する。通常、そのような液体操作チップの液体操作軸は、液体操作チップ内に延び、液体操作オリフィスを貫通する。光学測定装置は、液滴に照射するための照射光を提供するように構成された光源を備える。また光学測定装置は、前記液滴から到達するサンプル光を測定するように構成される検出器を備える。本発明に係る方法を実行するために、光学測定装置は適切な光学操作システムを一体化されているのが好ましい。

一般に、自動化された液体操作システムが公知である。そのようなシステムは、例えば生物学や生化学の実験室で利用されている。一例として、本出願人のFreedom EVO(登録商標)のワークステーション（Tecan Schweiz AG, Seestrasse 103, CH-8708 Mannedorf, Switzerland）がある。この装置により、分析システムに自動的に接続される自動液体操作が可能となる。一般に、これらの自動システムでは、処理するためのより大きな液量（マイクロリットルからミリリットル）を提供可能である。しかしながら、非常に小さい液量（ピコリットルからナノリットル）であっても、そのような自動液体操作システムにより、ピペットで取り（吸引及び分配し）、あるいは、分配することができる。特に、そのような自動液体操作システムは、装置を取り付けたり、あるいは、本発明の方法を実行したりするのに適している。

ヨーロッパ特許0144928号では、少量のサンプルのための光度計ヘッドが公知である。この光度計ヘッドは、発光器及び受光器を備え、それぞれ光ガイドを有する。発光器の光ガイドの光エネルギが表出する表面が、光エネルギの入口のための受光器の光ガイドの表面に向かってある距離で配置されている。この距離は液体サンプルを収容するための狭い隙間を形成する。液体サンプルは、隙間を形成する光ガイドの２つの表面に直接接触することによりこの隙間に保持される。液体サンプルは、分離塗布器（例えば、注射針）によって隙間に供給される。

米国特許第4910402号では、液体の特性を測定する装置及び方法が公知である。この装置は、電磁放射線のための少なくとも１つのガイドと、前記ガイド内に電磁放射線を方向付ける手段と、前記ガイドからの放射線を液滴内に進入させることができる位置に前記ガイドを接触させた状態で少なくとも１つの液滴を提供するための手段と、放射線と液滴との相互作用の働きである信号を伝送するための手段とを備える。

これらの文献は、光学測定で公知の欠点があるキュベットを使用する必要がないという利点を提供する光量計ヘッド又は光ガイドが開示されている。すなわち、
・１mlの範囲での大量のサンプルが測定キュベットでの所望の充填レベルを達成するために必要とされる。
・全分析物の全ての測定は、異なるキュベットの容量許容差が測定結果に多大な影響を及ぼすので、同じキュベットで行わなければならない。
・キュベットは各測定後に完全に清掃されなければならないか、あるいは、汚染及び持ち越し汚染の問題が予想される。しかしながら、各光ガイドの表面は、サンプルの持ち越し及び相互汚染を回避するために、各測定後に完全に清掃される必要もあり、その結果、例えば、液体操作システムによって提供される液滴中に含まれるサンプルの自動分析に十分には適していない。

ヨーロッパ特許公開第1684060号では、マイクロ量のサンプルの蛍光を測定するための蛍光測定装置が公知である。この装置は、励起光源、ピペットチップを有するピペット装置、及び蛍光検出システムを備える。ピペット装置は、励起光源からの光が生成される内部空間を有する。サンプルの一部は、サンプル容器からピペットチップ内で測定される。サンプルはピペットチップの吸引口で内部に保持され、ピペットチップの軸方向の内部空間から照射される。サンプルを照射する蛍光の一部は蛍光検出システムによって記録される。蛍光、発光及び吸収の方向は閉鎖されている。しかしながら、このシステムは、結果がピペットチップのオリフィスの再現性に依存しているため、吸収検出器に適しているようには見えない。また高い光吸収性でサンプルを測定するために光路が、ヨーロッパ特許公開第1684060号のシステムで可能であるよりも短くする必要がある。またピペットチップ内のメニスカス形成により吸収測定のためのさらなる問題が発生する。比較可能で同様な欠点のある装置が米国特許公開第2012/0224179号に開示されている。

米国特許公開第2003/0147079号では、最大液滴サイズの形成から基板吸収による液滴の消失までの時間を測定するための光学システムが公知である。この光学システムは、光源と、光電子倍増管に接続されたフォトダイオードと、コンピュータとを備える。光信号の強度はシリンジと基板の間の隙間に介在する液体の断面積に依存する。信号の強度は、実際は液体の光特性に依存し、光特性の分析は開示されていない。

米国特許第6235242号では、サンプルサイズ（赤外線によって照射された液滴の形成及び落下を光学的に測定することによる正確な容量判別）と、落下する液滴の容量を分析するための反応チャンバを有する装置（例えば、水の不純物検出）のための技術が公知である。落下する液滴の光学特性を直接分析することは開示されていない。反応チューブでの液滴の化学分析より以前の同様な液滴サイズの決定方法が特開平05-164765号公報で公知である。同様な単一の液滴のプラズマ分析がドイツ特許公開第10002970号で公知である。

ヨーロッパ特許0144928号 米国特許第4910402号 ヨーロッパ特許公開第1684060号 米国特許公開第2012/0224179号 米国特許公開第2003/0147079号 特開平05-164765号公報 ドイツ特許公開第10002970号

本発明の第１の課題は、液体操作システムによって提供される液滴中に含まれるサンプルを分析するための代替光学測定装置を提供することである。

本発明の第２の課題は、液体操作システムによって提供される液滴中に含まれるサンプルを分析するための代替の光学測定方法を提案することである。

第１の課題は、液体操作システムによって提供される液滴中に含まれるサンプルを分析するように構成された光学測定装置を提案することによって達成される。液体操作システムは、液体操作軸と、先端の液体操作オリフィスとを有する少なくとも１つの液体操作チップを備え、前記液体操作軸は液体操作チップ内に延び、液体操作オリフィスを通過し、前記光学測定装置は、液体サンプルの液滴を照射する照射光を供給するように構成された光源と、前記液滴から到達するサンプル光を測定し、測定されたサンプル光を表示する測定信号を供給するように構成された検出器と、照射光を伝送する第１光学要素を有する光学システムと、検出器に接続され、検出器によって提供される測定信号を受信して処理するように構成されたプロセッサと、を備え、前記光源及び前記液滴は、液体操作軸に略直交して延びる光学システムの第１光学要素の第１光軸を構成し、前記液滴は、液体操作システムによって供給され、第１光軸が液滴を貫通する位置で液体操作チップの液体操作オリフィスに吊り下げられ、液体操作システムの液体操作チップと、その内部の液体サンプルとによってのみ物理的に接触され、これにより、第１光学要素を有する光源が第１区間によって液滴から分離され、検出器が第１空間によって液滴から分離される。光学システムの第１光学要素又は第２光学要素と同様に、既に液滴のサイズ及び位置が、最も高い信号／ノイズ率を達成するために、相互に適合されているのが好ましい。また好ましい代替例として、光学測定装置は、光学システムの第１又は第２光学要素に対して液滴のサイズ又は位置を相互に適合させるための手段を備えている。

第２の課題は、液体操作システムによって供給される液滴中に含まれるサンプルを分析する光学測定方法を提供することによって達成される。この光学測定方法は、
（ａ）液体操作軸と、先端に液体操作オリフィスとを有する少なくとも１つの液体操作チップを備え、前記液体操作軸が液体操作チップ内に延び、液体操作オリフィスを通過する液体操作システムを提供するステップと、
（ｂ）液滴が液体操作軸に略垂直に延びる第１光軸によって貫通される位置で、液体操作システムの液体操作チップの液体操作オリフィスに吊り下げられる液滴を提供するステップと、
（ｃ）光源、検出器、及び照射光を光源から液滴まで伝送するための第１光学要素と、サンプル光を液滴から検出器まで伝送するための第２光学要素とを有する光学システムを備え、前記光源と液滴が光学システムの第１光学要素の第１光軸を構成し、第１及び第２空間が光源と検出器から液滴を分離することにより、第１及び第２光学要素が液滴に接触しないようにする光学測定装置を提供するステップと、
（ｄ）前記光源から出力する照射光を液滴に照射するステップと、
（ｅ）液滴から到達するサンプル光を測定し、測定信号を検出器に提供するステップと、
（ｆ）前記検出器に操作可能に接続されたプロセッサで、検出器によって提供された測定信号を処理するステップと、
を備えるものである。

適宜、追加で、ステップ（ｆ）によって提供される測定結果に基づいて、搬送されるべきサンプルの量が調整されるステップ（ｇ）を実行してもよい。

付加的な発明の特徴が各ケースの従属項から導かれる。本発明の文脈からすると、以下の説明が当てはまる。
「液体操作システム」は、少なくとも１つの液体操作ロボットを備えたロボットサンプル処理のためのワークステーションと、少なくとも１つの液体操作チップを備えた独立型の装置と、少なくとも１つの液体操作チップを備えた携帯式の装置と、を備えたグループから選択することができる。

「液体操作チップ」は、ピペットチップとディスペンサチップを備えたグループから選択することができる。

「ピペットチップ」又は「ディスペンサチップ」は、（例えば、ポリプロピレンから形成される）使い捨て可能なチップや、（例えば、合成材料又は金属から形成される）針や、液体サンプルを搬送又は分配するための他の中空のツールと同様な注射針であってもよい。

「ピペット」は、液体及び液体サンプルの吸引（取り込み）及び分配（配布）である。

「分配」は、液体及び液体サンプルの配布である。

「受光器」は、フォトダイオード、光電子倍増管、及びＣＣＤ又はＣＭＯＳチップの１つで構成するのが好ましい。

本発明は、サンプルを有する液滴がピペットチップ、ディスペンサチップ、又は液体操作ロボットのプローブ針に付着している間に、液滴中に含まれるサンプルの光学特性を決定するための検出器を提供する。

サンプルを有する液体は、既にピペットチップ、ディスペンサチップ、又は液体操作ロボットのプローブ針の内部にある。このため、サンプルの光学分析は、液滴中に含まれるサンプルをピペットで取り込むか分配する処理中に行うことができる。

分析すべきサンプルを含有する少量の液滴を生成するために２、３μリットルの液体が必要となるにすぎない。

引用文献では、液滴を光ガイドの表面に接触させる必要があるため、サンプル液に固有の損失があるが、本発明では、液滴と光ガイドの間には接触がないため、そのような固有の損失はない。

液滴中に含まれるサンプルの多種類の光学パラメータを検出することができ、そこには紫外線から赤外線までの範囲の吸光度、蛍光測定値、及び、発光測定値が含まれる。

チップを介して測定しないことにより、吸光、蛍光、及びチップ自身からの光収差が除去され、それらが測定に影響を及ぼし得ない。

ピペットチップ又は針状プローブから離れた特定表面にサンプルを接触させないことにより、持ち越しやサンプルロスが回避され、サンプルはピペットチップ又は針状プローブ内に吸引することができる。

液体サンプルの完全に自動化された測定又は分析が可能であり、これは本発明の光学測定装置を使用する際、手動によるクリーニングステップがないからである。

本発明の方法及び装置は、異なる光学検出軸により、同時に起こる蛍光測定及び吸収検出を可能とする。

（ヨーロッパ特許公開第1684060号とは異なり）、サンプル滴の直径が吸収度測定のための光路長を構成し、本発明の方法及び装置により、高い吸収度の非常に小さい液体量又はサンプルの吸収度検出が可能となる。

第１実施形態に係る光学測定装置の光源及び検出器の間で、そのオリフィスに吊り下げられた液滴を保持する液体操作チップの垂直断面図である。 第２実施形態に係る光学測定装置の光源及び検出器の間で、そのオリフィスに吊り下げられた液滴を保持する液体操作チップの垂直断面図である。 第３実施形態に係る光学測定装置の光源及び検出器の間で、そのオリフィスに吊り下げられた液滴を保持する液体操作チップの垂直断面図である。 第４実施形態に係る光学測定装置の光源及び検出器の間で、そのオリフィスに吊り下げられた液滴を保持する液体操作チップの垂直断面図である。 光源及び検出器を備え、液体操作システムが液体操作チップのオリフィスから吊り下げられ、光源と検出器の間に位置する液滴を供給する、第５実施形態に係る光学測定装置の水平突出部を示す。 蛍光又は発光検出のために示された好ましい範囲で、検査されるべき液滴状態の水平突出部を示す。 蛍光又は発光検出のために示された好ましい範囲で、検査されるべき液滴状態の垂直断面図である。 光源及び検出器を備え、液体操作システムが液体操作チップのオリフィスから吊り下げられ、光源及び検出器の間に配置された液滴のサイズを変更するためのポンプを提供する、第６実施形態に係る光学測定装置の水平突出部である。 光源及び検出器を備え、液体操作システムが、液体操作チップのオリフィスから吊り下げられ、光源と検出器の間に配置された液滴中のサンプルによって放射される蛍光又は発光を測定するための蛍光又は発光検出器を提供する、第７実施形態に係る光学測定装置の水平突出部である。 本発明の光学測定装置で捕捉されるようなＤＮＡのあるバッファ液滴と、ＤＮＡのないバッファ液滴との吸光スペクトル（処理されていない生の信号）の比較である。 本発明の光学測定装置で捕捉されるか、あるいは、従来の分光計で捕捉されるようなバッファ中の同様なＤＮＡサンプルの吸収スペクトル（処理された生データ）の比較である。

以下、本発明に係る実施形態を添付図面に従って説明する。

図１は、第１実施形態に係る光学測定装置の光源と検出器の間に吊り下げられた液滴を、オリフィスで保持する液体操作チップの縦断面図を示す。第１実施形態に係る光学測定装置１は、少なくとも１つの液体操作チップ４の先端７に、液体操作軸５と液体操作オリフィス６とを備えた液体操作システム３によって提供される液滴２内に含有されるサンプル分析用として構成されている。

通常好ましくは、液体操作軸５は水平面と垂直な鉛直方向に延びている。特に、液滴の全体形状が球状である場合、正確な鉛直方向から少しずれていてもよい。液体操作軸５は、液体操作システム３の液体操作チップ４内に延び、液体操作オリフィス６を貫通する。通常、そのような液体操作チップ４は、例えば、ＡＮＳＩ規格の２４，９６，３８４又は１５３６の窪みを備えた標準マイクロプレートの窪みに到達できるようにするため、真っ直ぐで、スリムな形状である。したがって、液体操作チップ４も、ほぼ鉛直方向に延びているのが好ましい。

光学測定装置１は、液滴２を照射する照射光９を供給するように構成される光源８を備える。光源８は、アーク灯１７'、レーザ、及び発光ダイオード（ＬＥＤ）を備えるグループから選択される発光装置１７を備える。そのようなＬＥＤはレーザダイオードを備えていてもよい。光源８は、光ファイバ１８'又はファイバ束、レンズ１８"、フィルタ１８"'、スリット又はピンホール１８""、及びモノクロメータを備えたグループから選択される少なくとも１つの光学要素１８を備えるのがさらに好ましい。

また光学測定装置１は、前記液滴２から到達するサンプル光１１を測定し、測定されたサンプル光１１を示す測定信号１２を提供するように構成される検出器を備える。検出器１０は、光ファイバ１９'又はファイバ束（図５参照）、レンズ１９"（図３参照）、フィルタ１９"'（図２参照）、スリット又はピンホール１９""（図５参照）、及びモノクロメータを備えるグループから選択される少なくとも１つの第２光学要素１９を備えるのが好ましい。検出器１０は、フォトダイオード２０'、光電子倍増管チップ２０"、光電子倍増管チューブ２０"'、ＣＣＤチップ、及びＣＭＯＳチップ２０'を備えるグループから選択される光受信器を備えるのがさらに好ましい。

また光学測定装置１は、検出器１０に接続され、検出器１０からの測定信号を受信して処理するように構成されたプロセッサ１３を備える。光源測定装置１のプロセッサは、液滴２を透過する光の実際の経路長２を計算するために構成されたアルゴリズムを備えるのが好ましい。このアルゴリズムは、プロセッサ１３の記憶部、あるいは、ＣＤ（compact disc）、又はＤＶＤ（digital versatile disc）等の携帯データストアに記憶されてもよい。液滴２を透過する光の実際の光路長さを計算するために、アルゴリズムはまずプロセッサ１３内にデータをロードするか、あるいは、少なくともプロセッサ１３で起動する。

本発明の第１実施形態に係る光学測定装置１は、光源９及び検出器１０が液体操作軸５にほぼ垂直に延びる第１光軸を形成する点に特徴を有する。上述のように、第１光軸１４はほぼ水平方向に延びているのが好ましい。さらに本発明によれば、光源８及び検出器１０は、液体操作システム３によって提供され、液体操作システム３の液体操作チップ４の液体操作オリフィスに吊り下げられる液滴２に非接触で配置される。光源８及び検出器１０は、第１光軸１４上であって、液滴２が第１光軸が透過可能な位置と同軸上であるのが好ましい。それらの配置により、光源８は第１空間１５によって液滴から分離され、検出器１０は第２区間１６によって液滴２から分離される。換言すれば、光源８及び検出器１０は、分析されるべきサンプルを有する液滴２に接触しない。この結果、液滴２のみが液体操作システム３の液体操作チップ４の液体操作オリフィス６と、液体操作チップ４内に保持されたサンプルサンプルとに物理的に接触し、液滴２はサンプル液の一部となる。

一般に、図１に図示されるように、本発明の光学測定装置の第１実施形態に係る光源８は、少なくとも１つのレーザダイオードで光照射装置１７を構成する。レーザダイオードは、特定波長の光を照射することが公知である。短い時間間隔の間に（例えば、within fractures of a second）２つの異なる波長の光が必要とされ、２つの対応するレーザダイオードは、光ガイド内で光結合するための一方又は他方のレーザダイオードを備えているのが好ましい。これに代えて（２以上のレーザダイオードが使用されるのが好ましいが）、分離した光ガイドは特定波長の個々の光源放射光のために使用してもよい。その場合、光放射装置１７としてキセノンフラッシュランプ又はジュウテリウムランプを使用するのが好ましい。検査される液滴２に好ましい単色照射を行うため、フィルタ又はモノクロメータが使用される。広範囲の波長でサンプルをスキャンすることも可能である。

例えば、液滴中のＤＮＡ又はＲＮＡの濃度を計算するためには（260／280nmの放射光が必要であり）、バンドパスフィルタ又は特定波長光のレーザダイオードを備えたモノクロメータの使用で十分であり、フィルタ（図１には図示せず）は不要とできる。吊り下げられた液滴２の他方側では、検出器１０が単なる第１実施形態に配置されるのが好ましく、フィルタ（図１には図示せず）は検出器でも不要とできる。少なくとも検出器１０は、測定信号１２をプロセッサ１３に出力するために、光学測定装置１のプロセッサ１３に操作可能に接続されている。プロセッサ１３も、光放射装置又は光学光ガイド１８を一方又は他方のレーザダイオードに接続するスイッチに操作可能に接続されているのがさらに好ましい。この結果、検出器１０から受信した測定信号１２は、これら測定信号を誘起した光源８に関連付けされる。これに代えて（好ましくは、２以上の異なる波長を有する光が使用されれば）、特定波長の光を受信する個々の検出器２０のために分離した光ガイドを使用してもよい。

光学光ガイドの代わりに、アーク灯、発光ダイオード（ＬＥＤ）、及び（所定波長の強力なＬＥＤである）レーザダイオード等の光放射装置１７の光で検査すべく液滴２に照射するために、（図１及び図３中、点線で示す）レンズシステム３３を使用してもよい。これにより、光学測定装置１は、液滴２を通過する特定の光路を形成するために構成されたレンズシステム３３を備えるのが好ましい。この結果、液滴２から到達し、検出器２０に向かってガイドされるべき光も又、レンズシステム３３（図示せず）を介して検出器にガイドされてもよい。光学測定装置１の検出器２０は、フォトダイオード２０'、光電子増倍管チップ２０''、光電子増倍管チューブ２０'''、ＣＣＤチップ、又はＣＭＯＳチップ２０'を備えているのが好ましい。

液滴２を通過する光路の実際の長さを知るために、光学測定装置１は、液滴２を通過する実際の光路を検出するように構成された撮像チップ３２を備えるのが好ましい。そのような検出は、撮像チップ３２を第１光軸１４と垂直な第３光軸３５上に配置することによって行うことができる。撮像チップ３２は、第１光軸１４とは平行で、それと直交する第３光軸３５（図５参照）とは直角に延びている。液滴２は、第２光源３７の光を照射され、コリメートレンズが、落下形状（図５、７及び８参照）の適切な投影を得るために使用されている。図２は、第２実施形態に係る光学測定装置１の光源８と検出器１０の間で、吊り下げられる液滴２を液体操作オリフィス６で保持する液体操作チップ４の垂直断面を示す。この第２実施形態を実施するため、第１実施形態と同様な液体操作システム３を使用することができる。ここでは、光源は、照射光９を出力可能なスリット又はピンホール１８''''を備えた、好ましくは通気性のよい箱に収容されるアーク灯１７'を備える。この通気箱内には、レンズ１８''がアーク灯１７'とスリット又はピンホール１８''''との間に配置されている。照射光９の光路では、格納式光学フィルタ１８'''（二重矢印参照）が配置されている。この光学フィルタ１８'''は、各場合でフィルタスライダ又はフィルタホイールに組み込まれた、単一の光学フィルタ又は一連の光学フィルタ（図示せず）とすることができる。この光学フィルタ１８'''は、液滴２中のサンプルを照射するための照射光９の特定波長を選択するために設けられている。加えて、モノクロメータを、ある波長（図示せず）を選択するために使用することができる。本発明に合わせて、フィルタ１８'''は、その表面と液滴２の表面との間の第１空間１５を自由に移動して液滴２には接触しない。ここでは、検出器は、プロセッサ１３に操作可能に接続され、サンプル光１１が箱に侵入光電子増倍管チューブ２０''を備える。放射光又はサンプル光の光路には、格納式の光学フィルタ１９'''（二重矢印参照）が配置されている。光学フィルタ１９'''は、好ましくはフィルタスライダ又はフィルタホイールに組み込まれた各場合で、単一の又は一連の光学フィルタとすることができる。光学フィルタ１９'''は液滴２から到達する特定波長を選択するために設けられている。本発明に合わせて、フィルタ１９'''は、その表面と液滴２の表面との間の第２空間１６から自由に移動して液滴２には接触しない。

図３は、第３実施形態に係る光学測定装置１の光源８と検出器１０の間に位置する、吊り下げられた液滴２を液体操作オリフィス６に保持する液体操作チップ４の縦断面図を示す。この第３実施形態は、図１の第１実施形態とは、液滴２の検出側に異なる構成要素が設けられている以外は同じである。ここでは、ビームスプリッタ２１が第１光軸１４に設けられ、第２空間１６によって液滴２から分離されている。ビームスプリッタ２１は、好ましくは第１光軸１４に対して９０°をなす第２光軸２３に沿ってサンプル光１１の一部を方向付ける。第２光軸２３は、水平又は垂直であるのが好ましく、これにより液滴２がＣＣＤ又はＣＭＯＳチップで構成される撮像チップ３２に投影される。（好ましくは円形であると予測される）液滴２から出現する光線の直径が測定される。液体操作軸５から所定距離での（収束又は拡散する）光線の直径を知り、逆算処理することにより、液滴２の直径は液滴範囲のレンズ効果により計算できる。この結果、サンプルを通過した励起光の光路長さが推定できる。しかしながら、殆どのサンプル光はビームスプリッタ２１を通過し、サンプル光１１を光受信器２０に集中させるレンズ１９''を介して検出器に到達する。光受信器２０は、フォトダイオード２０'、光電子倍増管チップ２０''、光電子倍増管チューブ２０'''、ＣＣＤチップ、あるいはＣＯＭＳチップで構成されるのが好ましく、プロセッサ１３に操作可能に接続されている。操作信号１２は前述の実施形態での光受信器２０としてプロセッサ１３に設けられている。

図４は、第４実施形態に係る光学測定装置１の光源８と検出器１０の間に位置する、吊り下げられた液滴２を液体操作オリフィス６で保持する液体操作チップ４の縦断面図を示す。図２の第２実施形態と同様に、光放射装置１７はボックス内に配置され、照射光９が開口から出力される。光源８のためのボックス内には、第１光軸１４の方向に照射光９を視準するためのレンズ１８''も設けられており、ビームスリッター２１がダイクロイックミラーの形態で配置されている。ビームスプリッタ２１は、ビームスプリッタ２１の間で、第１光軸１４と同心円上に配置されたレンズ１９'に向かって、照射光９を方向付けるように構成されている。レンズ１９''は、シールド２４の壁面に配置された光ファイバ又はファイバ束１９'の出入口面に照射光９を集中させる。しかしながら、光ファイバ又はファイバ束１９'の使用は光学的なものであり、代わりに単なるスリットや開口を使用してもよい。

シールド２４は、液体操作チップ４から、空中で停止させている液滴２の周囲に、実質的に閉鎖された検出空間２５が設けられるようにして、液体操作システム３の液体操作チップ４の一部を閉鎖する。検出空間２５内であるが、光ファイバ又はファイバ束１９'とは反対側に位置する液滴２の側方には、リフレクタ２２が設けられている。これにより、ビームスプリッタ２１とリフレクタ２２とは、第１光軸１４上に配置され、ビームスプリッタ２１は第１空気領域によって液滴２から分離され、リフレクタ２２は第２空間１６によって液滴２から分離される。この構成により、リフレクタ２２はサンプル光１１を液滴２に方向付けし、液滴２を通過する光のための通路長さを２倍にする。この結果、光学測定装置１は、検出空間２５を閉鎖し、開口２６を有するシールド２４を備える。開口２６は、液体操作軸５によって貫通されるように配置されているのが好ましい。また開口２６は、液体操作チップ４を摩擦無しで進入させ、液滴２を位置決め可能とする直径を有する。液滴２の位置決めは、液体操作システム３によって提供され、液体操作システム３の液体操作チップ４の液体操作オリフィス６で、液滴２が第１光軸１４によって貫通される位置に吊り下げられるように位置決めされる。安定して決められた液滴の検査位置を得るために、液体操作チップ４は円錐面又は他の面に作用するのが好ましい。液体操作チップ４が円形接触部に隣接したり、液体操作チップ４を搬送する液体操作ロボットによって液体操作チップ４が自由に位置決めされたりするのはあまり好ましくない。シールド２４は、内部の検出空間２５のガス雰囲気の湿度を制御するための湿度源２８、又は内部の検出空間２５のガス雰囲気の温度を制御するための温度調整源２９を少なくとも１つ備えるのが好ましい。

ビームスプリッタ２１は、ここでは第１光軸１４に対して傾斜角度ａで設けられ、角度βで延びる第２光軸２３を形成する。また光源８が第１光軸１４に設けられ、検出器１０（好ましくは、フォトダイオード２０'、フォトマルチプリファチップ２０''、フォトマルチプリファチューブ２０'''、ＣＣＤチップ、又はＣＭＯＳチップ２０'）が第２光軸２３に配置されている。サンプル光１１のための鏡として機能し、検出器１０に方向付けるように構成されたビームスプリッタ２１と、検出器１０との間には、他のレンズ１９がフォトダイオード２０'、フォトマルチプリファチップ２０''、フォトマルチプリファチューブ２０'''、ＣＣＤチップ、又はＣＭＯＳチップ２０'の表面にサンプル光１１を集中させるために配置されている。これに代えて、光源８の位置を検出器１０の位置と変更することができ、これにより検出器１０が第１光軸１４に配置され、光源８が第２光軸２３に配置される。この場合、ビームスプリッタ２１は、液滴２に向かって照射光９を変更させ、第１光軸４と平行に、かつ、検出器１０のフォトダイオード２０'、光電子倍増管２０''、光電子倍増管チューブ２０'''、ＣＣＤチップ、又はＣＭＯＳチップ２０'上に、サンプル光を通過させるように構成されている。

図５は、第５実施形態に係る光学測定装置１と、液滴操作チップの液体操作オリフィス６から吊り下げられ、光源８と検出器１０の間に位置する液滴２を提供する液体操作システム３との水平突出部を示す。ここで、水平方向の第１光軸１４が液滴２の中心を貫通するように、ほぼ球状の液滴２が配置されており、液滴２を通過する光路は最大となる。２つのレンズシステム３３が第１光軸１４と同軸上に配置されているが、一方は照射光９のためのものであり、他方はサンプル光１１のためのものである。照射光９の第１波長は光源８の前方に配置されたフィルタ１８'によって選択され、サンプル光１１の第２波長は検出器の前方に配置されたフィルタ１９'''によって選択される。

発光装置１７は、アーク灯１７'、レーザ、及び発光ダイオード１７''（ＬＥＤ）を備えたグループから選択されるのが好ましく、スリット又はピンホール１８''''を備えた換気箱内に配置されるのが好ましい。受光器２０は、フォトダイオード２０'、光電子倍増管チップ２０''、光電子倍増管チューブ２０'''、ＣＣＤチップ、又はＣＭＯＳチップ２０'を構成するグループから選択されるのが好ましく、スリット又はピンホール１９''''を備えた換気箱内に配置されるのが好ましい。レンズ１８''は発光装置１７とスリット又はピンホール１８''''の間に配置されている。液滴２を通過する光路長さを測定するため、撮像ＣＣＤ又はＣＭＯＳチッ３２が第１光軸１４と垂直に延びる水平な第３光軸３５上に配置されている。光源８、検出器１０及び撮像チップ３２は、測定信号１２又は制御信号を伝送するためにプロセッサ１３に操作可能に接続される。液滴２は第２光源３７の光を照射され、コリメートレンズは液滴形状の適切な突出３６を得るために使用されるのが好ましい。

一般に、検査される液滴２は、光学レンズのように機能し、光路に影響を及ぼす。光学的な測定の結果、好ましくは、直径１〜２ｍｍの液滴サイズが光学測定システムに適合されるべきであり、又光学測定システムが任意の液滴サイズに適合されるべきである。液滴サイズと光学システムとを相互に適合させるのは同様に可能である。またどのような液体操作システム３であっても、光学測定装置１の作動時に使用することができる。そのような液体操作システム３は、最上位では、既に記載したFreedom EVO（登録商標）のロボットワークステーションのようなロボットサンプルプロセッサ（ＲＳＰ）であるべきである。より一層シンプルな試みでは、そのような液体操作システム３は、ハンドピペットが繰り返し決められた液滴量を供給することができる限り、ハンドピペットとして構成することもできる。明らかに、これら２つの極端な例の間の複雑さにあるどのような液体操作システム３であっても、本発明の光学測定装置１と組み合わせて動作させるために利用することができる。

液体操作システム３は、そのセントラルプロセッサ４４によって制御されるポンプ３９を備える。ポンプ３９は、圧力ライン４０を介して液体操作チップ４に操作可能に接続され、液体操作システム３のセントラルプロセッサ４４は、光学測定装置１のプロセッサ１３によって制御されている。これにより、光学測定装置１のプロセッサ１３と、液体操作システム３のセントラルプロセッサ４４とに効果的に組み合わされるポンプ３９は、第１及び第２光学要素１８，１９、すなわち光学システム４３の少なくとも１つの光学要素１８，１９に対する液滴のサイズに適した手段である。さらに、光学測定装置１の光学システム４３、すなわちシステム４３の第１及び第２光学要素１８，１９に対する液滴の相対的な位置は、同様に互いに適合している。液滴２と光学システム４３の相互の大体の位置のため、液体操作システム３のロボットアーム４５は、液体操作チップ４が取り付けられており、利用することができる。ロボットアーム４５は、液体操作システム３のセントラルプロセッサ４４によって制御され、同等なシステムの１以上の方向へと移動するように構成されている。この同等なシステムは、デカルト又は他の同等なシステムとすることができ、その結果、ロボットアーム４５は、各同等システムの１以上の方向に、決められた方法で移動できる。ロボットアーム４５は、光学測定装置１のプロセッサ１３と、液体操作システム３のセントラルプロセッサ４４とに効果的に組み合わされて完成する。これにより、ロボットアーム４５は、第１及び第２光学要素１８，１９と、光学手段４３の少なくとも１つの光学要素１８，１９に対して、液滴２の位置を相互に適合させるための手段となる。

光学システム４３に対する液滴２の位置を微調整するために、液滴操作チップ４は、ＸＹＺドライブによって液体操作システム３のロボットアーム４５に取り付けられている。ＸＹＺドライブは、液体操作システム３のセントラルプロセッサ４４によって制御され、微調整のために構成されている。ＸＹＺドライブはピエゾ要素に基づいているのが好ましい。

光学システム４３の第１及び第２光学要素１８，１９に対して液滴２の位置を適合させるための既に記載した手段に代えて、あるいはこれと組み合わせて、光源８及び第１光学要素１８を第１専用ＸＹＺドライブ４７によって支持でき、検出器１０及び第２光学要素１９を第２専用ＸＹＺドライブ４８によって支持でき、第１及び第２専用ＸＹＺドライブ４７，４８は、液滴２にアイして光学システム４３の適合位置を微調整するように構成されている。

図６Ａは、蛍光又は発光の検出のために示された好ましい範囲での、検査されるべき液滴２の状態での水平突出部を示す。液滴でのサンプル（すなわちサンプル光）によって放射される蛍光又は発光のための検出器４２は、光源８及び液滴２とは同軸上に配置されていないのがより一層好ましい。蛍光検出器４２が、光源８、液滴２、及びこれらと関連する第１光軸１４と共に同一水平面内に配置されていれば、励起又は照射が検出器４２に到達するのを阻止するために、（二重矢印で示す）第１光軸１４側のセクタに蛍光発光検出器４２を配置するのが好ましい。この結果、液滴２を検出器４２に関連付ける第２光軸２３が、第１光軸１４に対して適切な角度で方向付けされる。光源８、液滴２及び蛍光発光検出器４２は同様に、２又は３の異なる高さに配置してもよく、その一例が図６Ｂに図示されている。図６Ｂは、蛍光又は発光の検出のための示された好ましい範囲での、検査されるべき液滴の状態の縦断面図を示す。蛍光発光検出器４２は、光源８、液滴２、及びこれら２つに関連する第１光軸１４よりも低い位置に配置されている。蛍光発光検出器４２は、励起又は照射光９が検出器４２に到達することを阻止するために、（二重矢印で示す）第１光軸１３の下方側のセクタに配置されているのが好ましい。この結果、液滴２を検出器４２に関連付ける第２光軸２３が、第１光軸１４に対して適切な角度で方向付けされる。

図６Ａ及び図６Ｂに示すように、検出器の配置の組み合わせも利用可能であることは言うまでもない。蛍光発光検出器４２の可能な配置は適宜選択できるが、通常、励起光はないので、蛍光発光検出器は、（このときオフされる）光源８及び液滴２と同じ光軸上でさえ配置することができる。

図７は、第６実施形態に係る光学測定装置１の水平突出部を示し、それは光源８及び検出器１０を備えている。液滴サイズを光学測定システムに適合させるため、液滴操作システムは、ポンプ３９に、液体操作チップ４のオリフィス６から吊り下げられ、光源８と検出器１０の間に位置する液滴２のサイズを変更するポンプ３９が設けられている。図７は、多くの態様で、図５に示す第５実施形態と似ているが、現行発明をテストするために実際に使用される構成を図示する。再度、ほぼ球状の液滴２は、水平の第１光軸１３が液滴２をその中心で貫通するように配置され、これにより液滴２を通過する光路が最大となる。発光装置１７は重水素ランプである。２つのレンズ１８''及び１９''（Qioptiq LINOS社製の石英レンズG312412000）が第１光軸１４と同軸上に配置され、１つが照射光９用であり、１つがサンプル光用である。液滴２とレンズ１９''の間には、中間レンズシステム４１（イギリス ヨーク州のEdmund Optics社製のレンズDCX 49254及びDCX 49255）が同軸上に配置されている。検出器はＣＣＤカメラである。図５と同様に、液滴２は第２光源３７の光で照射され、コリメートレンズ３８はＣＣＤカメラのセンサ３２上で水滴形状の適切な突出部３６を得るために使用されている。液滴２を通過する光の長さを測定するため、ＣＣＤカメラの撮像チップ３２が第１光軸１４に垂直に延びる水平な第３光軸３５上に配置されている。ＣＣＤカメラの光源８、検出器１０及び撮像チップ３２は、測定信号１２又は制御信号を伝送するプロセッサ１３に操作可能に接続されている。

本発明の光学測定装置１の第５実施形態では、ポンプ３９が設けられて、圧力ライン４０によって液体操作チップ４に操作可能に接続されている。またポンプ３９はプロセッサ１３に接続され、プロセッサは撮像ＣＣＤ３２のセンサに接続されている。この配置により、液滴２のサイズを調整するための閉ループ制御を行う。詳しくは、液滴２は液体操作チップ４の液体操作オリフィス６で生成される。続いて、繰り返し数に応じて（所望の液滴サイズと位置に到達するまで）、後述するステップが繰り返される。（ａ）第２光源３７と撮像チップ３２を使用して液滴２の画像が記録され、（ｂ）この画像を処理することにより、実際の液滴のサイズが計算され、（ｃ１）液滴サイズと位置がステップ（ｂ）の結果に基づいて修正され、（ｃ２）液滴のサイズと光学位置がステップ（ｂ）の結果に基づいて修正される。

液滴サイズを変更することにより、ポンプ３９による圧力ライン４０での圧力を適切に変化させることができ、圧力の低下が抑制され、圧力の上昇が液滴２のサイズを大きくする。好ましいサイズの液滴２は約１から２ｍｍの直径を有する。

液滴位置を変更することにより、３次元デカルト又は他の全ての同等なシステムの１以上の軸方向に、（好ましくは、液体操作システム３のロボットアームに取り付けられた）液体操作チップ４を移動させることができる。液体操作チップ４を搬送するロボットアームの駆動は粗い動きのために使用することができる。微調整のために、ロボットアームと液体操作チップ４の間に配置される専用ＸＹＺ駆動装置によって移動させることができ、専用ＸＹＺ駆動装置はピエゾ要素からなるのが好ましい。光学位置を変更することにより、光源９を移動させることができ、その第１光学要素１８は、専用ＸＹＺ駆動装置を有する第２光学要素を備えた検出器１０と同様であり、専用ＸＹＺ駆動装置はピエゾ要素からなるのが好ましい。

ポンプ同様、ここで記載した必要な動作のための全ての駆動装置は、プロセッサ１３によって制御されることにより、全ての必要な変化が自動的に実行される。必要な繰り返しに続いて、光源８の照射光９の吸光度が光学システム及び検出器１０を使用して測定される。同時に又はこれに代えて、液滴２中のサンプルの蛍光又は発光も測定することができる。

図８は第７実施形態に係る光学測定装置１の水平突出部を示し、それは光源８及び検出器１０を備え、既に第５及び第６実施形態に記載されている。これまでに記載した実施形態と相違し、この第７実施形態は、液体操作チップ４のオリフィス６から吊り下げられ、光源８と検出器４２の間に配置された液滴２中のサンプルによって放射される蛍光又は発光を測定するための蛍光又は発光検出器４２を備える。蛍光又は発光を測定可能とするため、ビームスプリッタ２１が第３光軸３５にある傾斜角度をなすように配置されている。このビームスプリッタ２１は、サンプルから放射され、液滴から、好ましくは光電子倍増管チップ２０''を備えた蛍光又は発光検出器４２内に到達する蛍光又は発光を検出するように構成されている。図８に示す配置により、サンプルからの蛍光又は発光と、励起源（発光装置１７）の無光により、蛍光又は発光検出器４２に進入して光電子倍増管チップ２０''に到達することができる。この目的を達成するため、光学測定装置１は、第１光軸１４と第３光軸３５を超えて配置された蛍光又は発光検出器４２を備える。蛍光又は発光信号を測定するためだけに、ビームスプリッタ２１に代えて単一の鏡（図示せず）を使用してもよく、又これに代えて、光電子倍増管チップ２０''を備えた蛍光又は発光検出器４２を第３光軸３５（共に図示せず）に配置してもよい。これら単純化された実施形態の全てでは、蛍光又は発光の測定のための光学測定装置１のみに専用とされ、第２光源３７及び撮像チップ３２を設けてもよい。検出器１０が蛍光又は発光の測定のために同時に使用されるべきであれば、液滴サイズの決定がブーゲ・ランバート・ベールの法則（下記参照）に基づく計算によって行われてもよい。

いずれの場合でも、光源８及び液滴２は、液滴操作軸５にほぼ垂直に延びる第１光軸１４を定義する。しかしながら、検出器１０（すなわち、フォトダイオード２０'、光電子倍増管チップ２０''、光電子倍増管チューブ２０'''、ＣＣＤチップ、又はＣＭＯＳチップ２０'）、が、同様にこの第１光軸１４上に配置されるべきであるか否か（図１、２、３、５、７及び８参照）、あるいは、検出器１０が異なる第２光軸２３上に配置されるべきであるか否か（図４及び図６Ａ、６Ｂ参照）は当業者に任されている。

ここに示され、あるいは記載された全ての異なる装置及び要素は、液滴２がどのような発光装置１７又は受光器２０に物理的に接触していなくても、本発明の要旨を逸脱することなく当業者が実際に必要とするものに応じて再配置したり、交換したりすることができる。

本発明の光学測定装置１は、液体操作システム３によって提供される液滴２に含まれるサンプルを分析する光学的な測定方法を実行するために利用することができる。本発明に係る分析方法は、以下のステップを備える。
（ａ）液体操作軸５と、液体操作チップ４の先端７の液体操作オリフィス６とを備え、液体操作軸５が液体操作チップ４内に延び、液体操作オリフィス６を貫通する液体操作システム３を提供するステップと、
（ｂ）液滴２を液体操作軸５にほぼ垂直に延びる第１光軸１４が貫通する位置で、液体操作システム３の液体操作チップ４の液体操作オリフィス６に吊り下げられた液滴２を提供するステップ。
（ｃ）光源８、検出器１０、光源８から液滴２に照射光９を照射する第１光学要素１８と、液滴２から検出器１０にサンプル光１１を照射する第２光学要素１９（図６Ａ及び６Ｂも併せて参照）とを有する光学システム４３を備え、光源８と液滴２が光学システム４３の第１光学要素１８を明確にし、第１及び第２空間１５、１６が光源８と検出器１０から液滴２を分離することにより、関連する第１及び第２光学要素１８、１９が液滴には接触しないようにする光学測定装置１を提供するステップ。
（ｄ）液滴２に光源８から照射される照射光９を照射するステップ。
（ｅ）液滴２から到達したサンプル１１を測定し、測定信号１２を検出器１０に出力するステップ。
（ｆ）検出器１０に操作可能に接続されたプロセッサ１３で演算するステップ。
適宜、ステップ（ｇ）を追加で実行してもよく、伝送されたサンプル量が調整され、その調整は先にステップ（ｆ）を実行することによって提供される測定の結果に基づいている。

本発明に係る分析方法を実行する際、光学システム４３の第１及び第２光学要素１８、１９と同様に、既に液滴２のサイズ及び位置が、最も高い信号／ノイズ率を達成するのに相互に適合されている。また好ましい代替として、本発明に係る分析方法は、後述するように、光学システム４３の第１又は第２光学要素１８、１９に対して液滴２のサイズ及び位置を相互に適合させることもできる。

本発明によれば、液滴２中のサンプルを分析する間、液滴２は、液体操作システム３の液体操作チップ４（特に、液体操作オリフィス６）にのみ接触し、この結果、幾らかのサンプル液量３０が液体操作チップ４内に現れる。液体操作システム３の他の部分のいずれにも、あるいは、本発明の光学測定装置１のいずれの部分にも、サンプルを分析する間、液滴２と物理的に接触することはない。この状況下で、後述する光学測定方法の処理ステップが実行される。
（i）サンプル光源から、液体操作システム３の液体操作チップ４を吸引するステップ
（ii）液体操作システム３を使用して、液体サンプル３０を有する液体操作チップ４を光学測定装置１に移動させるステップ
（iii）液体操作システム３で制限された分配動作を実行し、その結果、液体操作チップ４の液体操作オリフィス６に付着されている十分に小さな液滴２を生成するステップ
（iv）液滴２が光学測定装置１の第１光軸を貫通されるように、液滴２を付着された状態で液体操作チップ４を位置決めするステップ
（v）測定信号１２を有効利用するために液滴サイズと光学システムを相互に調整するステップ

ここで、ステップ（iii）及び（iv）は、第１液体操作チップ４が液体操作システム３の液体操作ロボットを使用して所定位置に配置されるように交換でき、その後、液体操作システム３で制限された分配動作が実行され、この結果、液体操作チップ４の液体操作オリフィス６に付着されている十分小さな液滴２を生成する。液滴２に含まれるサンプルの光学特性は、吸光度、蛍光及び発光を含むグループから選択されるのが好ましい。またここでは、ステップ（iv）及び（v）は、光学システム４３に対して液滴のサイズと位置を相互に最適化するために繰り返すことができる。

この結果、以下のステップが実行されるのが好ましい。
（vi）液滴２中に含まれるサンプルの光学的特性を測定するステップ
（vii）液体操作システム３で液滴２を再吸引するステップ
（viii）液体サンプル３０の少なくとも一部を配分するステップ
液滴２を有する液体操作チップ４と、光学測定装置１の第１光軸１４の相対的な空間位置を最適化するために、（ステップ（iv）に従って）液滴２を付着された液体操作チップ４の位置は最大化され、それは、検出器１０に提供され、プロセッサ１３によって受信される測定信号１２が液体操作チップ４を、液体操作システム３のデカルト座標システムのＸ，Ｙ及びＺ軸方向の少なくとも１つを移動することにより行われる。この場合、液滴２を付着された状態で液体操作チップ４を位置決めすることにより、四分円形式の写真検出器３１（図１参照）が利用され、四分円形式の写真検出器３１の４つ全ての四分円均等となるまで、液体操作システム３の液体操作チップが（必要に応じて）デカルト座標システムのＸ，Ｙ及びＺ軸方向に移動する。

ステップ（iv）に従って液滴２を付着された状態で液体操作チップ４を位置決めすることは、液体操作チップ４が表面３４に作用するように、液体操作システム３の液体操作ロボットに力を付与する点を改良され、最適な測定結果を提供するために先に許可された場所に付着した液滴２を位置決めするのが特に好ましい。

またステップ（iv）に従って付着された状態で、液滴２は検出器１０に入力される測定信号１２を最適化するために、落下形状又は位置を修正される。液滴サイズと光学システムを相互に調整することは、液滴サイズを現存の光学システムに適合させることにより、すなわち予め定義された最適落下サイズを得るために、ポンプ３９で落下サイズを制御することにより達成される。また、光学システムは、光学分野の当業者の知識に従って、少なくとも１つのズームレンズ１８''又は１９''を使用する実際の落下サイズ（図示せず）に適合させることができる。

また、種々の光学素子（例えばズームレンズ）を利用し、同時にポンプ３９で落下サイズを修正することが可能である。液滴２を通過する実際の光路長を決定するために、異なる方法を採用することができる。
１．ビームスプリッタ２１が液滴と光学測定装置１の検出器１０の間に配置され（図３参照）、ビームスプリッタ２１はサンプル光１１の一部をＣＣＤ又はＣＭＯＳチップ３２に方向付け、液滴２の形状はＣＣＤ又はＣＭＯＳチップ３２（図３参照）によって検出された信号を使用して撮影される。この方法は、全方向で均等な水平落下直径のほぼ球状を示す液滴２に限定される。
２．撮像ＣＣＤ又はＣＯＭＳチップ３２は第３水平光軸３５上に配置され、第１光軸１４（図５参照）に対して垂直に延びている。コリメートレンズ３８を液滴２と撮像チップ３２の間の第３光軸３５上に配置することにより、明瞭な液滴２の突出部３６が撮像チップ３２の表面に示される。液滴２を通過する実際の光路長は、撮像ＣＣＤ又はＣＭＯＳチップ３２に生成される画像上で測定される。この方法は、実際の液滴２が対象であるか非対称であるかということから独立して、確実に実際の光路長が測定されるという利点がある。
３．公知の溶媒が検査されるべきサンプルに使用されれば、最適な落下サイズを決定でき、ピペットチップ（液体操作チップ４）の内圧をこの溶剤と最適な落下サイズのために記録することができる。液体操作チップ４の内圧を測定するために、液体操作システムは、適切な圧力変換器と測定器とを備えなければならない。この方法は、画像がなく、さらなる測定を実行しなくてもよいという利点がある。しかしながら、この方法は、全ての方向に均等である水平落下直径でほぼ球状に現れる液滴２に制限される。また液滴サイズは、液滴温度と液体特性（例えば、表面張力、粘度、飽和上記圧等）に依存する。この方法は、直径２ｍｍ以下の液滴サイズに適しているが、それは、そのような小さな液滴にとって圧力が液滴サイズを変化させることが明らかだからである。
４．液滴２を通過する光路長は、
・予め決められた第１波長を有する光の透過から得られる第１光信号を測定し、
・予め決められた第２波長を有する光の透過から得られる第２光信号を測定し、
・第１及び第２光信号の間の予め決められた関係からサンプルの光路長を決定すると共に、溶剤の光路長を決定し、
第１及び第２波長は、７５０ナノメータから２５００ナノメータ波長の電磁スペクトルの近赤外線領域にある。
５．液滴２を通過する光路長は次式で計算される。
Ｌ＝（Ａ_１−Ａ_２）／Ｃ・（ε_１−ε_２） （１）
Ａ_１は第１光信号から得られる第１吸収値
Ａ_２は第２光信号から得られる第２吸収値
Ｃ（ε_１−ε_２）は予め決められた光路長の溶剤サンプルを含有する参照セルの第１及び第２波長での吸収から予め決められる、あるいは、決定される。
６．液滴２を通過する光路長は次式により計算される。
Ｌ＝Ａ／（ε・Ｃ） （２）
Ａは光信号λ１から得られる吸収値である。
εはλ１での物質の減衰係数である。
Ｃは液滴中の物質のモル濃度である。

方法４から６は、液滴２を通過する光路長が確実に測定されるか、あるいは、計算され、画像が無く、さらに測定は行う必要がないという利点がある。液滴サイズと幾何学的形状とは独立して、これらの方法は、プロセッサ１３で実行される適切なソフトウェアを利用する自動化された方法で行うことができる。

光学測定装置１が、検出空間２５を取り囲み、直径２７の開口２６を有する外装２４を備え、液体操作チップ４が開口２６を介して挿入されるならば、ステップ（iv）に従って液滴２を付着させた状態で液体操作チップ４を位置決めした後、外装２４の検出空間２５内のガス雰囲気の温度又は湿度は、温度調整源２９又は加湿源２８（図４参照）によって制御される。

本発明に係る光学測定装置１と、適切な液体操作システムとを作動させる人に実際に必要とされることに依拠して、液体サンプル３０の少なくとも一部の分配は、以下のステップ（vii）に従って実行するのが好ましい。
・液体サンプル３０の全体がサンプル源に戻されるステップ、
・液体サンプル３０の一部が少なくとも１つの反応容器に戻され、液体サンプル３０の残りがサンプル源又は廃棄シンクに戻されるステップ、又は
・液体サンプル３０の全体が少なくとも１つの反応容器に戻されるステップ。

本発明に係る光学測定装置１の特に好ましい使用と、光学測定方法の特に好ましい適用に依拠して、液体サンプル３０の少なくとも一部の分配は以下のステップ（vii）に従って実行される。
・液滴２を通過する光路長をランベルト・ベールの法則を利用して決定又は計算するステップ、
・液滴２中のサンプル３０の濃度をランベルト・ベールの法則に従って計算するステップ、
・サンプル３０のある量を液滴２中の濃度に従って決定するステップ、
・サンプル３０のある量を配分するステップ。

分子生物学の分野で公知であるように、核酸を使用する反応又は分析には、最適性能のための特別な量と純度とが要求される。この結果、核酸の定量化が、純度と同様に混合物中に現れるＤＮＡ又はＲＮＡの平均濃度を決定するために行われる。核酸は特定パターンで紫外線を吸収する。分光側光器では、サンプルは260nmの紫外線に晒され、画像検出器はサンプルを通過した光を測定する。サンプルによって吸収された光量が増大すればするほど、サンプル内の核酸の濃度は高くなる。ランベルト・ベールの法則を使用することにより、吸収した光量を吸収分子の濃度に関連付けることができる。

ランベルト・ベールの法則は、
Ｄ＝ｌｏｇ_１０（Ｉ０／Ｉ）＝ε・Ｃ・Ｌ （２）
Ｄ：光学濃度、吸光度
Ｉ０：波長λの入射光の強度
Ｉ：吸収セル通過後の光の強度
Ｃ：吸光材料の濃度（モル）
Ｌ：吸光路長
ε（λ）：減衰係数
なお、一般に、この反応の有効性は、発光が単色で、材料の吸収濃度が低く、異なる濃度での結合、分離又は構造変化等の特別な分子の相互作用がなければ、満足できるものである。260nmの波長では、平均減衰係数は、２本鎖のＤＮＡでは0.020（μg/ml）^-1cm^-1であり、１本鎖のＤＮＡでは0.027（μg/ml）^-1cm^-1であり、１本鎖のＲＮＡでは0.025（μg/ml）^-1cm^-1であり、短い１本鎖のオリゴヌクレオチドでは長さと塩基組成に依存している。このように、１の光学濃度（すなわちＯＤ）は、２本鎖のＤＮＡのための５０μg/mlの濃度に対応している。より正確な減衰係数がオリゴヌクレオチドのために必要とされ、これらは最新モデルを使用することにより予想することができる。核酸サンプルにとって他の分子（すなわち、タンパク質、有機化合物等）で汚染される核酸にとって一般的なことである。260と280nmでの吸光度（Ａ_260/280）の割合は核酸の純度を評価するために使用される。単一のＤＮＡでは、Ａ_260/280は〜１．８であり、単一のＲＮＡでは〜２である。

260nmと280nmの吸光度の割合は、タンパク質（特に、芳香族アミノ酸）が280nmの光を吸収するため、タンパク質溶液のＤＮＡ汚染を評価するのにもっぱら使用される。しかしながら、逆は本当ではなく、タンパク質汚染の相対的に大きな量により、核酸溶液中の260と280の割合に顕著に影響する。この違いは、タンパク質と比較してより高い減衰係数が260nmと280nmを有する結果である。これにより、たとえタンパク質の濃度が相対的に高くても、タンパク質は260と280の吸光度に比べて相対的に小さくなる。タンパク質汚染により260と280の割合を確実に評価できない一方、このことはＤＮＡ量評価を誤ってより小さくすることも意味する。

このように、260nmと280nmの紫外線をサンプルに晒すこと、画像検出器でサンプルを通過する光を測定すること、及び、吸光度260と280nmの割合（Ａ_260/280）でランベルト・ベールの法則を使用して核酸の純度を評価することが好ましい、そのような定量化は、光学測定装置１の開示された実施形態のそれぞれを使用することにより行うことができる。

図９は、本発明の光学測定装置１で捕捉され、ＤＮＡを有する緩衝液滴の吸光スペクトルと、ＤＮＡのない緩衝液滴との間の比較を示す。光学システムは、1.76mmの液滴サイズと、液滴２の中央での発光のために設計されている。液滴サイズと位置は軸３５上のＣＣＤカメラ３２で記録される。プロセッサ１３は、実際のサイズ及び位置をターゲット値と比較するためにＣＣＤカメラ３２からの情報を使用する。液体操作システム３によれば、プロセッサ１３は位置及びサイズを調整する。ターゲット値に到達したとき、光源８がオンし、検出器１０（光受信器２０）でスペクトルが記録される。信号（カウンタでの送信光の強度）が、液滴２中のサンプルを通過させるために使用される光の波長に引っ張られる。約300nm以上の高い波長では、２つの測定器の間には殆ど違いがない。しかしながら、210から300nmの間の範囲では、ＤＮＡサンプルを有する液滴２（1.76mmの緩衝液滴中、500ng/mlのＤＮＡ）は、ＤＮＡサンプルのない液滴２（1.76mmの緩衝液滴のみ）よりも高い吸光度を示している。

図１０は、本発明の光学測定装置１で取り込んだ（すなわち、ここに開示するように、第６実施形態で使用する）、又は、商業的に利用可能な分光計で取り込んだ、緩衝液滴内の同様なＤＮＡサンプル吸収スペクトル（処理又は未処理の信号）を比較したものを示している。図９の未処理信号を、市販の分光計で得られた結果と比較するために、未処理信号は、センサの暗電流と315nmで調整された信号レベルを修正する後加工を施した。２つのグラフの良好な相関関係が230nmと315nmの間の波長として示されている。ほんの小さな違いを見ることができ、それは波長較正可能な違いを示している。したがって、260nmと280nmでの吸光割合が本発明の光学測定装置１を使用することにより確実に決定することができる。

異なる図面での同一又は類似の要素は同一又は類似の参照番号で示されている。したがって、図中、これらの指標と、それに関連する要素は、各ケースで全て詳細に議論されていないにしても、当業者に対して、これら全ての要素を完全に記載している。

１以上の液体操作システム３は、本発明の１つの光学測定装置１と組み合わせて使用することができる。単一の液体操作システム３は、本発明に係る１以上の測定装置１と組み合わせることができる。

１…光学測定装置
２…液滴
３…液体操作システム
４…液体操作チップ
５…液体操作軸
６…液体操作オリフィス
７…液体操作チップの先端
８…光源
９…照射光
１０…検出器
１１…サンプル光
１２…測定信号
１３…プロセッサ
１４…第１光軸
１５…第１空間
１６…第２空間
１７…発光装置
１７'…アーク灯
１７''…発光ダイオード
１８…第１光学要素
１８'…光ファイバ又はファイバ束
１８''…レンズ
１８'''…フィルタ
１８''''…スリット又はピンホール
１９…第２光学要素検出器
１９'…光ファイバ又はファイバ束
１９''…レンズ
１９'''…フィルタ
１９''''…スリット又はピンホール
２０…受光器
２０'…フォトダイオード
２０''…光電子倍増管チップ
２０'''…光電子倍増管チューブ
２１…ビームスプリッタ
２２…反射器
２３…第２光軸
２４…外装
２５…検出空間
２６…開口
２７…開口の直径
２８…加湿源
２９…温度調整源
３０…液滴サンプル
３１…四分円形式の写真検出器
３２…画像ＣＣＤ又はＣＯＭＳチップ
３３…レンズシステム
３４…円錐面
３５…第３光軸
３６…画像ＣＣＤ又はＣＯＭＳチップ上の液滴の突出部
３７…第２光源
３８…コリメートレンズ
３９…ポンプ
４０…圧力ライン
４１…中間レンズシステム
４２…蛍光又は発光
４３…光学システムの光ファイバ又はファイバ束
４４…液体操作システムのセントラルプロセッサ
４５…液体操作システムのロボットアーム
４６…ＸＹＺ駆動装置
４７…第１専用ＸＹＺ駆動装置
４８…第２専用ＸＹＺ駆動装置

Claims (27)

1. （ａ）液体操作軸（５）及び先端の液体操作オリフィス（６）を有し、前記液体操作軸（５）が内部を延びて前記液体操作オリフィス（６）を通過する、少なくとも１つの液体操作チップ（４）を有する液体操作システム（３）と、
   （ｂ）液体サンプル（３０）の液滴（２）を照射する照射光（９）を供給するように構成された光源（８）と、
   （ｃ）前記液滴（２）から到達するサンプル光（１１）を測定し、測定されたサンプル光（１１）を示す測定信号（１２）を提供するために構成された検出器（１０）と、
   （ｄ）照射光（９）が透過する第１光学要素（１８）を備えた光学システム（４３）と、
   （ｅ）検出器（１０）に接続され、検出器（１０）によって提供された測定信号（１２）を受信して処理するように構成されたプロセッサ（１３）と、
   を備え、
   前記液体操作システム（３）がセントラルプロセッサ（４４）によって制御されるポンプ（３９）を備え、前記ポンプ（３）が圧力ライン（４０）を介して液体操作チップ（４）に操作可能に接続された光学測定装置（１）であって、
   前記光源（８）及び前記液滴（２）は、液体操作軸（５）とほぼ垂直に延びる光学システム（４３）の第１光学要素（１８）の第１光軸（１４）を構成し、前記液滴（２）は、液体操作システム（３）によって提供され、第１光軸（１４）が貫通する位置で、液体操作チップ（４）の液体操作オリフィス（６）によって吊り下げられ、
   前記液滴（２）は、光学測定装置（１）の光学システム（４３）から物理的に分離され、液体操作システム（３）の液体操作チップ（４）と、液体操作チップ（４）内の液体サンプル（３０）によってのみ物理的に接触されることにより、前記第１光学要素（１８）を有する光源（８）が第１空間（１５）によって液滴（２）から分離され、検出器（１０）が第２空間（１６）によって液滴（２）から分離され、
   前記液滴（２）を透過する光路長を検出するか、あるいは、液滴（２）のサイズ及び位置を制御するように構成された撮像チップ（３２）をさらに備え、
   前記ポンプは、前記プロセッサ（１３）と、前記液体操作システム（３）のセントラルプロセッサ（４４）とを組み合わされており、光学システム（４３）の少なくとも１つの光学要素（１８，１９）に対して液滴（２）のサイズを適合させる手段であることを特徴とする光学測定装置（１）。
2. 前記光学システム（４３）は、サンプル光（１１）を液滴（２）から検出器（１０）に伝送する第２光学要素（１９）を備え、前記第２光学要素（１９）は、第２空間（１６）によって液滴（２）から分離されていることを特徴とする請求項１に記載の光学測定装置（１）。
3. 前記第２光学要素（１９）を有する検出器（１０）は、第１光軸（１４）又は第２光軸（２３）上に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の光学測定装置（１）。
4. 前記液滴（２）のサイズ又は位置を撮影するための第２光源（３７）及びコリメートレンズ（３８）を備え、前記第２光源（３７）、コリメートレンズ（３８）及び撮像チップ（３２）は第３光軸（３５）上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光学測定装置（１）。
5. 前記第１光軸（１４）の側方に配置される蛍光又は発光検出器（４２）を備えたことを特徴とする請求項１に記載の光学測定装置（１）。
6. 前記プロセッサ（１３）は、前記液滴（２）を透過する実際の光路長を計算するように構成されたアルゴリズムを備えたことを特徴とする請求項１に記載の光学測定装置（１）。
7. 前記第１光軸（１４）上にビームスプリッタ（２１）及びリフレクタ（２２）を配置され、前記ビームスプリッタ（２１）は第１空間（１５）によって液滴（２）から分離されており、前記リフレクタ（２２）は第２空間（１６）によって液滴（２）から分離されており、前記リフレクタ（２２）はサンプル光（１１）を液滴（２）に方向付けることにより、液滴（２）を透過する光路長を２倍にしていることを特徴とする請求項１に記載の光学測定装置（１）。
8. 検出空間（２５）を閉鎖し、開口（２６）を有する外装（２４）を備え、前記開口（２６）は、液体操作軸（５）が貫通するように配置され、液体操作チップ（４）の進入と、液体操作システム（３）によって提供され、液体操作チップ（４）の液体操作オリフィス（６）で、第１光軸（１４）が貫通する位置に吊り下げられる液滴（２）の位置決めを摩擦なしで可能とする直径（２７）を有することを特徴とする請求項１に記載の光学測定装置（１）。
9. 前記外装（２４）は、外装（２４）内の検出空間（２５）のガス雰囲気の湿度を制御するための、少なくとも１つの加湿源（２８）と、外装（２４）内の検出空間（２５）のガス雰囲気の温度を制御するための温度調整源（２９）とを備えたことを特徴とする請求項８に記載の光学測定装置（１）。
   徴とする請求項１に記載の光学測定装置（１）。
10. 前記液体操作システム（３）は、セントラルプロセッサ（４４）によって制御されるロボットアーム（４５）を備え、前記液体操作チップ（４）は、ロボットアーム（４５）に取り付けられ、前記ロボットアーム（４５）は座標系の１以上の方向に移動するように構成されており、前記ロボットアーム（４５）は、プロセッサ（１３）と、液体操作システム（３）のセントラルプロセッサ（４４）とを組み付けられており、光学システム（４３）の第１又は第２光学要素（１８，１９）に対する液滴（２）の位置を適合させることを特徴とする請求項１に記載の光学測定装置（１）。
11. 前記液体操作チップ（４）は、液体操作システム（３）のセントラルプロセッサ（４４）によって制御され、光学システム（４３）に対する液滴（２）の適合位置を微調整するように構成されているＸＹＺ駆動装置（４６）によってロボットアーム（４５）に取り付けられることを特徴とする請求項１０に記載の光学測定装置（１）。
12. 前記第１光学要素（１８）又は前記検出器（１０）と、第２光軸（１９）とを有する光源（８）を移動させることにより光学位置を移動させるための、少なくとも１つの専用ＸＹＺ駆動装置（４７，４８）を備え、
    前記専用ＸＹＺ駆動装置（４７，４８）は、液滴（２）に対して光学システム（４３）の適合位置を微調整するように構成されていることを特徴とする請求項１０に記載の光学測定装置（１）。
13. 前記ＸＹＺ駆動装置（４６）又は前記ＸＹＺ駆動装置（４７，４８）はピエゾ要素からなることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の光学測定装置（１）。
14. 前記第１光軸（１４）及び前記第３光軸（３５）は、略水平方向に延び、前記液体操作チップ（４）は略垂直方向に延びていることを特徴とする請求項４に記載の光学測定装置（１）。
15. 前記第２光軸（２３）は、第１光軸（１４）に対して傾斜して延び、液滴（２）を貫通することを特徴とする請求項３又は４に記載の光学測定装置（１）。
16. 液体操作システム（３）によって提供される液滴（２）に含まれるサンプルを分析する光学測定方法であって、
    （ａ）液体操作軸（５）と、先端の液体操作オリフィス（６）とを有し、前記液体操作軸（５）が液体操作チップ（４）内に延び、液体操作オリフィス（６）を貫通する少なくとも１つの液体操作チップ（４）を提供するステップと、
    （ｂ）液体操作軸（５）に略垂直に延びる第１光軸（１４）が貫通する位置で、液体操作システム（３）の液体操作チップ（４）の液体操作オリフィス（６）で吊り下げられる液滴（２）を提供するステップと、
    （ｃ）プロセッサ（１３）と、光源（８）と、検出器（１０）と、光源（８）から液滴（２）に照射光（９）を伝送するための第１光学要素（１８）、及び、液滴（２）から検出器（１０）にサンプル光（１１）を伝送するための第２光学要素（８）を有する光学システム（４３）と、を備え、前記光源（８）及び液滴（２）が光学システム（４３）の第１光学要素（１８）を構成するステップと、
    （ｄ）前記液滴（２）を透過する実際の光路を検出し、前記液滴（２）のサイズ及び位置を制御するように構成された撮像チップ（３２）を提供するステップと、
    （ｅ）前記光源（８）から照射される照射光（９）を液滴（２）に照射するステップと、
    （ｆ）前記液滴（２）から到達するサンプル光（１１）を測定し、測定信号（１２）を検出器（１０）に提供するステップと、
    （ｆ）前記検出器（１０）により提供された測定信号（１２）を、検出器（１０）に操作可能に接続されたプロセッサ（１３）で処理するステップと、
    を備え、
    前記液体操作システム（３）は、セントラルプロセッサ（４４）によって制御されたポンプ（３９）を備え、前記ポンプ（３９）は圧力ライン（４０）を介して液体操作チップ（４）に操作可能に接続され、
    前記液滴（２）は、物理的に光学システム（４３）から離間し、前記液体操作システム（３）の液体操作チップ（４）と、前記液体操作チップ（４）内の液体サンプル（３０）によってのみ物理的に接触されることにより、第１光学要素（１８）を備えた前記光源（８）が第２空間（１６）によって液滴（２）から分離され、
    前記液体操作システム（３）の前記セントラルプロセッサ（４４）はプロセッサ（１３）によって制御され、前記プロセッサ（１３）と前記液体操作システム（３）セントラルプロセッサ（４４）と組み合わされた前記ポンプ（３９）は光学システム（４３）の少なくとも１つの光学要素（１８、１９）に対して液滴（２）のサイズを適合させていることを特徴とする光学測定方法。
17. 前記光学システム（４３）は、サンプル光（１１）を液滴（２）から検出器（１０）に伝送するための第２光学要素（１９）を備え、前記第２空間（１６）が液滴（２）を検出器（１０）から分離することにより、前記第２光学要素（１９）が液滴（２）と接触しないことを特徴とする請求項１６に記載の光学測定方法。
18. 搬送されるべき全サンプルを調整するステップ（ｈ）を実行し、前記調整を、先にステップ（ｇ）を実行することにより得られた測定結果に基づいて行うことを特徴とする請求項１６又は１７に記載の光学測定方法。
19. （i）液体操作システム（３）の液体操作チップ（４）で、サンプル源から液体サンプル（３０）を吸引するステップと、
    （ii）前記液体操作システム（３）を使用して、液体操作チップ（４）で液体サンプル（３０）を光学測定装置（１）に移動させるステップと、
    （iii）前記液体操作システム（３）で制御された分配動作を実行し、前記液体操作チップ（４）の液体操作オリフィス（６）に付着して残留する十分に小さな液滴（２）を生成するステップと、
    （iv）前記液滴（２）に光学測定装置（１）の第１光軸（１４）が貫通するように、前記液滴（２）が付着した状態で液体操作チップ（４）を位置決めするステップと、
    （v）測定信号（１２）を最適化するために液滴サイズと光学システム（４３）とを相互に調整するステップと、
    必要に応じて
    （vi）前記光学システム（４３）に対する液滴（２）のサイズと位置を相互に最適化するためのステップ（iv）及び(v)を繰り返すステップと、
    を備えたことを特徴とする請求項１６又は１７に記載の光学測定方法。
20. （vii）前記液滴（２）中に含まれるサンプルの光学特性を測定するステップと、
    （viii）前記液体操作システム（３）で液滴（２）を再吸引するステップと、
    （ix）前記液体サンプル（３０）の少なくとも一部を分配するステップと、
    をさらに備えたことを特徴とする請求項１９に記載の光学測定方法。
21. 前記ステップ（iv）に従って液滴（２）が付着した状態で液体操作チップ（４）を位置決めすることは、検出器（１０）に提供され、プロセッサ（１３）によって受信された測定信号（１２）が、液体操作システム（３）のデカルト座標システムのＸ，Ｙ及びＺ方向の少なくとも１つに液体操作チップ（４）を移動させて最大化されることにより改善されることを特徴とする請求項１９に記載の光学測定方法。
22. 前記ステップ（iv）に従って液滴（２）を付着させた状態で液体操作チップ（４）を位置決めすることにより、検出器（１０）によって提供されてプロセッサ（１３）によって受信された測定信号（１２）が、専用ＸＹＺ駆動装置を有する第２光学要素（９）を備えた検出器（１０）と同様の第１光学要素（１８）を有する光源（８）を移動させることにより最大化される点で改良されることを特徴とする請求項１９に記載の光学測定方法。
23. 前記ステップ（iv）に従って液滴（２）が付着した状態で液体操作チップ（４）を位置決めすることは、四分円式画像検出器（３１）が利用され、四分円式画像検出器（３１）の四分円全ての測定信号が等しくなるまで、液体操作システム（３）の液体操作チップ（４）がデカルト座標システムのＸ，Ｙ及びＺ方向に移動することにより改善されることを特徴とする請求項１９に記載の光学測定方法。
24. 前記液滴（２）中に含まれるサンプルの光学特性は、吸光、蛍光、及び発光を有するグループから選択されることを特徴とする請求項２０に記載の光学測定方法。
25. 検出空間（２５）を閉鎖し、開口（２６）を有する外装（２４）を備え、前記液体操作チップ（４）は前記開口（２６）を介して進入し、
    前記ステップ（iv）に従って液滴（２）が付着した状態で液体操作チップ（４）を位置決めした後、前記外装（２４）内の検出空間（２５）でのガス雰囲気の温度又は湿度が温度調整源（２９）又は加湿源（２８）によって制御されることを特徴とする請求項１６に記載の光学測定方法。
26. 前記ステップ（ix）に従って液体サンプル（３０）の少なくとも一部を配分する以下のステップからなることを特徴とする請求項２０に記載の光学測定方法。
    ・液滴（２）を透過する光路長がランベルト・ベールの法則を利用して決定又は計算されるステップ
    ・液滴（２）中のサンプル（３０）の濃度がランベルト・ベールの法則に従って計算されるステップ
    ・サンプル（３０）の量が液滴（２）中の濃度に従って決定されるステップ
27. サンプルは、260nmと280nmの紫外線に晒され、サンプルを透過する光が画像検出器で測定され、核酸の純度が260及び280nm（Ａ_260/280）での吸光割合でランベルト・ベールの法則を使用して評価されることを特徴とする請求項２０に記載の光学測定方法。

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