JPWO2003093835A1 - 分析用具の温調方法、および温調機能を備えた分析装置 - Google Patents
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Abstract
本発明は、試料の分析を行うために使用される分析用具(1)において、この分析用具(1)に保持された液成分(10)を目的温度に調整する技術に関する。本発明では、液成分(10)を昇温する場合に、光源(23)からの光エネルギを利用して液成分の加熱を行う。液成分の昇温は、たとえば液成分に光エネルギを直接供給することにより行う。液成分の昇温は、液成分に近接して設けられた昇温領域に対して光エネルギを照射し、この昇温領域から移動する熱エネルギにより行うようにしてもよい。昇温用の光源(23)としては、レーザダイオードまたは発光ダイオードを用いるのが好ましい。
Description
技術分野
本発明は、試料の分析を行うために使用される分析用具において、この分析用具に保持された液成分を目的温度に調整する技術に関する。
背景技術
試料の分析を行う方法としては、たとえば試料と試薬を反応させたときの反応液を、光学的手法により分析する方法がある。このような分析は、たとえば光の照射および受光が可能な光学系を構築した分析装置に対して、反応場を提供するための分析用具を装着して行われる(たとえば日本国特開平8−114539号公報参照)。この場合、分析誤差を小さくし、分析結果の信頼性を高めるためには、分析用具(とくに反応液)の温度調整を行い、各回の測定毎に試料と試薬を略同一温度で反応させるのが好ましい。とくに、酵素反応を利用する系では、反応速度の温度依存性が大きいため、この系の温度は、たとえば目的温度に対して±0.1℃に調整される。
反応液の温度調整を行う方法としては、たとえば図9Aに示したように、分析用具9を反応液90よりも熱容量の大きなヒートブロック91上に保持し、このヒートブロック91の温度を制御して、反応液90の温度を調整する方法がある(たとえば日本国特開平9−189703号公報、日本国特開平10−253536号公報参照)。この方法では、たとえばヒートブロック91に埋設された温度センサ92により反応液90の温度をモニタリングし、反応液90の温度が所定値よりも小さくなった場合に、ヒートブロック91を加熱・昇温して、ヒートブロック91を介して反応液90が昇温される。また、図9Bに示したように、分析用具9を温度追随性の高い発熱体93上に保持し、この発熱体93により反応液90の温度を直接調整する方法もある(たとえば特開平9−304269号公報参照)。この方法でも、温度センサ92によるモニタリング結果に応じて、適宜発熱体93を駆動して反応液90の温調が行われる。
これらの温度調整方法では、反応液90を昇温する場合にヒートブロック91を加熱し、あるいは発熱体93を駆動する必要があるため、消費電力が大きいといったデメリットがある。しかも、ヒートブロック91や発熱体93などの加熱媒体では、マイクロデバイスのように反応液90の液量が小さい場合には、反応液90が保持された領域のみをピンポイントで加熱するのが困難である。そのため、反応液90の温度を応答性良く上昇させるためには、昇温させるべき領域(図では反応液90の直下領域)に比べて、加熱媒体91,93を相当に大きくする必要がある。したがって、加熱媒体91,93から伝えられる熱量に比して、反応液90の昇温に利用される熱量が小さくなってエネルギの利用効率が悪くなってしまう。
このように、従来の温度調整方法では消費電力が大きく、エネルギの利用効率が悪いといったデメリットがある。したがって、従来の温度調整方法は、小型電池(たとえば家庭でも汎用されている電池)のような内部電源で駆動する分析装置に適用するのが困難となっており、仮に、先の方法を小型の分析装置に適用するにしても、分析装置の稼働時間が極端に短くなってしまい、実用的ではない。その一方、稼働時間の短縮化を改善するためには、内部電源の容量を大きくすればよいが、この場合には、分析装置の小型化が阻害され、可搬性が悪化してしまう。また、外部電源から電力を供給してもよいが、その場合には、分析装置を外部電源と接続するためのアダプタが必要となって携帯性が悪くなる上、出先での使用が困難となる。
発明の開示
本発明は、分析用具に保持された液成分を、分析装置を大型化することなく、小さい消費電力で目的温度に調整できるようにすることを目的としている。
本発明の第1の側面により提供される分析用具の温調方法は、試料の分析を行うために使用される分析用具において、この分析用具に保持された液成分を目的温度に調整する方法であって、上記液成分を昇温する場合に、光源からの光エネルギを利用して上記液成分の加熱を行うものである。
本発明の第2の側面においては、試料を保持した分析用具を利用して上記試料の分析を行うとともに、上記分析用具に保持された液成分の温度を調整できるように構成された分析装置であって、上記液成分を昇温するための昇温用光源を備えている、温調機能を備えた分析装置が提供される。
この分析装置は、液成分の温度または液成分の周りの環境温度を測定するための温度測定手段と、この温度測定手段での測定結果に基づいて、昇温用光源を制御するための光源制御手段と、をさらに備えているのが好ましい。
ここで、本発明でいう「液成分」とは、分析用具に保持された液体のうち、温調の対象となるものをさし、特段の限定がない限りは、分析用具に存在する液体の全てをさす場合もあれば、一部をさす場合もある。たとえば、液体試料と液体試薬とを反応させる系では、液体試料、液体試薬およびこれらの反応液のいずれかを単独でさす場合、あるいはそれらのうちの複数をさす場合の双方が含まれ、もちろん、液体試料、液体試薬あるいは反応液を単独でさす場合においても、そのうちの特定の領域に存在するもののみをさす場合もある。
本発明では、液成分の昇温は、たとえば液成分に光エネルギを直接供給することにより行ってもよいし、液成分に近接して設けられた昇温領域に光エネルギを照射し、この昇温領域からの移動する熱エネルギにより行ってもよい。前者の方法では、光エネルギを直接供給する分だけ、光エネルギの利用効率が高くなるといったメリットがある。ただし、液成分を適切に昇温するためには、水に対する吸収性の高い近赤外光や赤外光、より好ましくは950〜1000nm、1100nm前後、1400〜1500nm、1850〜2100nm、あるいは2500nm前後の近赤外光や赤外光が照射される。一方、後者の方法では、昇温領域を構成する材料は、光エネルギを吸収してそれを液成分に伝播できれば足りるため、種々の材料の中から選択できる。そのため、昇温領域を構成する材料は、その選択の幅がひろく、また昇温領域を構成する材料の光の吸収特性に応じて照射すべき光の波長を選択すればよい。そのため、後者の方法は、光エネルギを直接供給する前者の方法に比べて、光源の選択の幅が広がるといったメリットがある。
光源としては、たとえばレーザダイオード(LD)または発光ダイオード(LED)が使用される。これらのうち、LDを用いるのが好ましい。LDを使用すれば、スポット的な光照射、ひいてはスポット的な加熱が可能となって、照射エネルギの利用効率が高くなる。ただし、加熱用光源としてLDやLEDを用いる場合には、多量の液成分を応答性よく温調するのが困難であるため、温調対象となる液成分の量を、たとえば100μL以下に設定するのが好ましい。もちろん、より多量の液成分の温調を行うために、使用するLDやLEDの数を増やして対応することも可能である。
液成分の温調は、たとえば液成分の温度をモニタリングしつつ、このモニタリング結果をフィードバックして、光源から放出する光エネルギ量を繰り返し制御することにより行うことができる。また、液成分の周りの環境温度と、液成分を目的の温度に昇温するのに必要な光源に対する制御量と、の関係を予め調べておき、測定された環境温度と上記関係とに基づいて光源の制御量を決定するようにしてもよい。
本発明の温調対象となる分析用具としては、光を照射したときの応答から試料の分析を行うように構成されたものが挙げられる。この場合、昇温用の光源としては、試料の分析のために使用する光源を利用することができる。
本発明の適用対象となる分析用具としては、微量な試料を分析するように構成されたマイクロデバイスが挙げられる。もちろん、電気化学的手法により試料の分析を行うように構成された分析用具などを利用して分析を行う場合であっても、本発明を適用することができる。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して具体的に説明する。
図1に示したように、分析装置Xは、分析用具1を利用して試料を分析するための分析機能と、分析用具1の測定部11Cbに保持された液成分10の温度を調整するための温調機能と、を有するものであり、装着部20、測定用光源部21、受光部22、加熱用光源部23、演算部24、および制御部25を備えている。
装着部20は、分析用具1を保持するためのものである。この装着部20には、分析用具1に保持された液成分10の温度を測定するための温度測定部26が埋設されている。この温度測定部26は、装着部20に対して分析用具1を装着したときに、分析用具1に保持された液成分10(測定部11Cb)の直下領域に位置するように配置されている。これにより、温度測定部26において測定される温度が、実際の液成分10の温度により近いものとなる。
温度測定部26としては、たとえばサーミスタや熱伝対のような接触型の温度計を使用することができる。もちろん、放射温度計のように、非接触型の温度計を用いてもよい。この場合には、温度測定部26は、必ずしも装着部20に埋設する必要はない。
測定用光源部21は、液成分10(測定部11Cb)に光を照射するためのものである。これに対して、受光部22は、液成分10からの反射光を受光するためのものである。測定用光源部21は、たとえば水銀ランプや白色LEDにより構成される。これらの光源を用いる場合には、図面上は省略しているが、測定用光源部21からの光をフィルタに入射させてから、液成分10に光が照射される。これは、フィルタにおいて、液成分10中の分析対象成分の光吸収特性に則した波長の光を選択するためである。測定用光源部21は、単一波長の光を出射可能なレーザダイオード(LD)や発光ダイオード(LED)により構成することもできる。一方、受光部22は、たとえばフォトダイオードにより構成される。
加熱用光源部23は、液成分10に対して直接的に光エネルギを供給して、液成分10を昇温するためのものである。この加熱用光源部23は、液成分10を昇温できるものであればその種類は問われず、たとえば水に対する吸収性の高い近赤外光や赤外光、より好ましくは950〜1000nm、1100nm前後、1400〜1500nm、1850〜2100nm、あるいは2500nm前後の近赤外光や赤外光を出射するものが使用される。ただし、駆動電力を考慮した場合には、加熱用光源部23は、レーザダイオード(LD)や発光ダイオード(LED)により構成するのが好ましく、とくにLDにより構成するのが好ましい。LDを使用した場合には、スポット的な光照射、ひいてはスポット的な加熱が可能となって、照射エネルギの利用効率が高くなるからである。
演算部24は、温度測定部26での測定結果に基づいて、液成分10に付与すべきエネルギ量を演算するとともに、その演算値に応じて加熱用光源部23に対する制御量を演算するものである。これに対して、制御部25は、演算部24において演算された制御量に応じて、加熱用光源部23の点灯・消灯を制御し、あるいは点灯時において、加熱用光源部23から出射される光の強度を制御するためのものである。
演算部24および制御部25は、たとえばCPU、ROMおよびRAMにより構成することができ、この場合には、ROMに記憶されたプログラムを、RAMを利用しつつCPUにより実行することにより、加熱用光源部23の制御が行われる。
分析用具1としては、たとえば図2および図3に示したものが使用される。これらの図に示した分析用具1は、微量試料に基づいて試料の分析を行うためのマイクロデバイスとして構成されたものである。このマイクロデバイス1は、反応場を提供するためのものであり、微小な流路11が形成された基板12上に、流路11を覆うようにしてカバー13を積層した形態を有している。
流路11は、試料導入部11A、試薬導入部11Bおよび反応用流路部11Cを有している。試料導入部11Aと試薬導入部11Bとは、反応用流路部11Cの端部11Caにつながっている。反応用流路部11Cは、全体が蛇腹状にくねっており、流路長が大きくなるように工夫されている。そして、反応用流路部11Cの端部11Cbは、測定用光源部21および加熱用光源部23からの光が照射される測定部を構成している(図1参照)。
これに対してカバー13は、試料導入口13a、試薬導入口13bおよび空気抜き穴13cを有している。試料導入口13aは試料導入部11Aの端部11Aaに、試薬導入口13bは試薬導入部11Bの端部11Baに、空気抜き穴13cは反応用流路部11Cの端部11Cbに、それぞれ対応した部位に形成されている。
マイクロデバイス1は、試料と試薬との2液を混合して反応させるものであるが、マイクロデバイスとしては、3液以上を混合するものを使用することができ、もちろん、複数の反応系を構築できるように、複数の流路が形成されたものであってもよい。
マイクロデバイス1では、試料の分析時に、試料導入口13aから試料が、試薬導入口13bから試薬がそれぞれ導入される。これらの試料および試薬は、毛細管現象により試料導入部11Aおよび試薬導入部11Bをそれぞれ移動し、反応用流路部11Cにおいて合流する。これにより、試料と試薬が反応を開始する。試料および試薬は、さらに反応を進行しつつも、毛細管現象により、空気抜き穴13cに向けて反応用流路部11Cを移動し、最終的には測定部11Cbに到達する。
このとき、図1に示した温度測定部26では、測定部11Cbに到達した反応液(液成分10)の温度が経時的に測定されている。この測定結果は、演算部24に送られ、演算部24での演算の基礎とされる。
この演算部24では、液成分10の目的温度と、実際の測定温度との比較が行われ、測定温度が目的温度よりも一定値以上小さい場合には、加熱用光源23に対する制御量(たとえば加熱用光源部23の点灯時間や出射光の強度)が演算される。この演算は、たとえば予め定められた演算式に測定温度を当てはめることにより行われる。演算部24での演算結果は、制御部25に送られる。
これに対して制御部25は、演算結果に応じて加熱用光源部23を必要時間だけ、必要強度で点灯させる。これにより、測定温度と目的温度との差に応じた分だけ液成分10が昇温される。一方、制御部25は、測定温度が目的温度よりも大きい場合には、加熱用光源部23を消灯制御する。このような点灯・消灯制御は、温度測定部26での測定結果をフィードバックすることにより繰り返し行われる。
加熱用光源部23の制御は、液成分10の周りの環境温度を測定した上で、この環境温度に基づいて行ってもよい。より具体的には、まず、環境温度と、液成分10を目的の温度に昇温するのに必要な加熱用光源部23に対する制御量と、の関係を予め調べておく。この関係は、たとえばテーブル化あるいは関数化した上で演算部24などにおいて記憶させられる。そして、温度測定部26において測定された環境温度から、上記関係(テーブルや関数)を参照して対応する制御量を決定し、この制御量に応じて加熱用光源23を制御する。
この制御方法では、たとえば加熱用光源23の制御を繰り返し行わずに、一度の制御によって温調が行われる。
本実施の形態のように、光エネルギを用いて液成分10の温調を行うようにすれば、液成分を直接的に昇温することができるために供給エネルギの利用効率が高くなる。そのため、消費電力の面でメリットがある。しかも、光源としてLDやLEDを用いることができるため、この場合には、内部電源として使用される小型電池によっても、電池寿命を著しく短縮化することなく、十分に液成分を昇温することができる。したがって、小型の分析装置においても、それを大型化することなく、内部電源を利用して液成分の温調を行うことができるようになる。そして、内部電源により対応できるようになれば、外部電源と接続する必要がなくなり、アダプタが必須のアイテムではなくなる。そのため、分析装置を持ち歩く際に、アダプタを携帯する必要がなくなって、携帯性がよくなる。
もちろん、本発明は上述した実施の形態には限定されず、種々に設計変更が可能である。たとえば、本実施の形態では、液成分に照射した光の反射光に基づいて分析を行うように構成された分析装置を例にとって説明したが、本発明は透過光に基づいて液成分を分析するように構成された分析用具に対しても適用可能である。また、測定部11Cbの液成分に限らず、これに加えて、あるいはこれに代えて、試料導入部11A、試薬導入部11Bおよび反応用流路部11Cのうちの少なくとも1つの部分に存在する液成分を温調するようにしてもよい。
図4および図5に例示したように、液成分に光エネルギを直接供給せずに、液成分に対して間接的に光エネルギを供給するようにしてもよい。図4に示した例では、空気抜き穴13cの周囲を囲むようにして昇温領域14aが設けられている。一方、図5に示した例では、測定部11Cb(液成分)の直下に昇温領域14bが設けられている。これらの例では、昇温領域14a,14bに対して光エネルギを供給することによって昇温領域14a,14bを加熱・昇温し、その熱エネルギを液成分に伝播させることにより液成分の昇温が行われる。
昇温領域14a,14bを構成する材料は、光を吸収してそれを液成分に伝播できるものであれば足りるため、種々の材料の中から選択でき、その選択の幅がひろい。そのため、当該昇温方法では、昇温領域14a,14bを構成する材料の光の吸収特性に応じて、照射すべき光の波長、すなわち光源を選択すればよいため、液成分に光エネルギを直接供給する方法(図1参照)に比べて、光源の選択の幅が広がるといったメリットがある。
昇温領域14a,14bの形状や配置場所は、図4および図5に例示されたものには限定されず、また液成分を直接的に昇温する方法と間接的に昇温する方法とを組み合わせて昇温を行う。
本発明は、光学的手法により分析を行う分析装置に限らず、電気化学的手法により分析を行うように構成された分析装置に対しても適用可能である。たとえば、分析用具として図6および図7に示したバイオセンサ3を装着し、電圧印加時の応答電流に基づいて試料の分析を行うように構成された装置にも適用することができる。
図示したバイオセンサ3は、基板30上にキャピラリ30aが設けられたものである。キャピラリ30aは、基板30上に、スリット31aが設けられたスペーサ31を介して、穴部32aが形成されたカバー32を積層することにより形成されている。キャピラリ30aには、端部に試料液導入口33が設定されており、その内部には固体状の試薬37が保持されている。試料液導入口33から導入された試料は、試薬37を溶解しつつ、毛細管現象により穴部32aに向けてキャピラリ30a内を進行する。
基板30上には、測定用電極としての作用極34と、対極35と、一対の検知用電極36とが設けられている。これに対して分析装置は、各電極34〜36にそれぞれ接触させるための測定用端子4a,4bおよび検知用端子4c,4dを有している。端子4b,4dは、グランドに接続されているのに対して、端子4a,4cは、電源40に接続可能とされている。そして、スイッチSを切り替えることにより、電源40が作用極34と対極35との間に電位差を付与する状態と、一対の検知用電極36の間に電位差を付与する状態とを選択することができる。
この分析装置では、たとえば試料と試薬37との反応液に対して電圧を印加することにより、反応生成物と電極との間で電子授受が行われ、その量に応じた応答電流が測定されるように構成されている。
このような構成においては、バイオセンサ3においてキャピラリ30aに反応系が構築されるため、その反応系に光エネルギを供給することによって反応系の昇温ひいては反応系の温調が行われる。ただし、反応系が基板30とカバー32との間に形成されているため、反応系に対して光エネルギを直接的に供給する場合には、基板30またはカバー32における光吸収量を少なくするために、光源から出射される光に対して、吸収が少ない材料により基板30またはカバー32を形成するのが好ましい。もちろん、図6に示したバイオセンサ3およびこれに対応した分析装置は例示であり、先に説明した以外の電気化学的手法により試料の分析を行うように構成された装置にも本発明を適用可能である。
本発明を適用することができる分析用具としては、毛細管現象により試料や試薬などを移動させるものには限らず、たとえば図8Aに示したように電気泳動によりそれらを移動させるもの、あるいは外部ポンプの動力により、それらを移動させるものであってもよい。
図8Aに示した分析用具5は、2つの流路50,51が交差して設けられており、各々の流路50,51に泳動バッファが充填されている。この分析用具5では、分析時に各流路50,51の両端部に電位差が与えることにより、導入口52から導入された試料が流路51で反応しつつ測定部53に向けて流路51を移動する。
一方、図8Bに示した分析用具6は、試料導入部60、反応部(測定部)61、廃液貯留部62および吸引部63が並んで形成されたものである。この分析用具6では、吸引部63が外部ポンプに接続されて、ポンプの動力により試料が移動させられる。もちろん、圧電素子などを利用したマイクロポンプを内蔵することにより、このマイクロポンプにより試料などを移動させるように構成された分析用具であってもよい。
分析用具としては、たとえば図8Cに示したように、短冊片の基材70上に固体状の試薬パッド71が形成されたものであってもよい。もちろん、試薬パッド71の数は、図示したものには限定されない。
【図面の簡単な説明】
図1は、本発明に係る分析装置の一例の概略構成を示す模式図である。
図2は、マイクロデバイスの一例を示す全体斜視図である。
図3は、図2のIII−III線に沿う断面図である。
図4は、液成分の昇温方法の他の例を説明するためのマイクロデバイスの斜視図である。
図5は、液成分の昇温方法のさらに他の例を説明するためのマイクロデバイスの断面図である。
図6は、本発明の適用対象となる分析用具の他の例を示す全体斜視図である。
図7は、図6のVII−VII線に沿う断面図である。
図8A〜図8Cは、本発明の適用対象となる分析用具のさらに他の例を示す全体斜視図である。
図9Aおよび図9Bは、従来の温調方法を説明するための分析装置の要部を示す断面図である。
本発明は、試料の分析を行うために使用される分析用具において、この分析用具に保持された液成分を目的温度に調整する技術に関する。
背景技術
試料の分析を行う方法としては、たとえば試料と試薬を反応させたときの反応液を、光学的手法により分析する方法がある。このような分析は、たとえば光の照射および受光が可能な光学系を構築した分析装置に対して、反応場を提供するための分析用具を装着して行われる(たとえば日本国特開平8−114539号公報参照)。この場合、分析誤差を小さくし、分析結果の信頼性を高めるためには、分析用具(とくに反応液)の温度調整を行い、各回の測定毎に試料と試薬を略同一温度で反応させるのが好ましい。とくに、酵素反応を利用する系では、反応速度の温度依存性が大きいため、この系の温度は、たとえば目的温度に対して±0.1℃に調整される。
反応液の温度調整を行う方法としては、たとえば図9Aに示したように、分析用具9を反応液90よりも熱容量の大きなヒートブロック91上に保持し、このヒートブロック91の温度を制御して、反応液90の温度を調整する方法がある(たとえば日本国特開平9−189703号公報、日本国特開平10−253536号公報参照)。この方法では、たとえばヒートブロック91に埋設された温度センサ92により反応液90の温度をモニタリングし、反応液90の温度が所定値よりも小さくなった場合に、ヒートブロック91を加熱・昇温して、ヒートブロック91を介して反応液90が昇温される。また、図9Bに示したように、分析用具9を温度追随性の高い発熱体93上に保持し、この発熱体93により反応液90の温度を直接調整する方法もある(たとえば特開平9−304269号公報参照)。この方法でも、温度センサ92によるモニタリング結果に応じて、適宜発熱体93を駆動して反応液90の温調が行われる。
これらの温度調整方法では、反応液90を昇温する場合にヒートブロック91を加熱し、あるいは発熱体93を駆動する必要があるため、消費電力が大きいといったデメリットがある。しかも、ヒートブロック91や発熱体93などの加熱媒体では、マイクロデバイスのように反応液90の液量が小さい場合には、反応液90が保持された領域のみをピンポイントで加熱するのが困難である。そのため、反応液90の温度を応答性良く上昇させるためには、昇温させるべき領域(図では反応液90の直下領域)に比べて、加熱媒体91,93を相当に大きくする必要がある。したがって、加熱媒体91,93から伝えられる熱量に比して、反応液90の昇温に利用される熱量が小さくなってエネルギの利用効率が悪くなってしまう。
このように、従来の温度調整方法では消費電力が大きく、エネルギの利用効率が悪いといったデメリットがある。したがって、従来の温度調整方法は、小型電池(たとえば家庭でも汎用されている電池)のような内部電源で駆動する分析装置に適用するのが困難となっており、仮に、先の方法を小型の分析装置に適用するにしても、分析装置の稼働時間が極端に短くなってしまい、実用的ではない。その一方、稼働時間の短縮化を改善するためには、内部電源の容量を大きくすればよいが、この場合には、分析装置の小型化が阻害され、可搬性が悪化してしまう。また、外部電源から電力を供給してもよいが、その場合には、分析装置を外部電源と接続するためのアダプタが必要となって携帯性が悪くなる上、出先での使用が困難となる。
発明の開示
本発明は、分析用具に保持された液成分を、分析装置を大型化することなく、小さい消費電力で目的温度に調整できるようにすることを目的としている。
本発明の第1の側面により提供される分析用具の温調方法は、試料の分析を行うために使用される分析用具において、この分析用具に保持された液成分を目的温度に調整する方法であって、上記液成分を昇温する場合に、光源からの光エネルギを利用して上記液成分の加熱を行うものである。
本発明の第2の側面においては、試料を保持した分析用具を利用して上記試料の分析を行うとともに、上記分析用具に保持された液成分の温度を調整できるように構成された分析装置であって、上記液成分を昇温するための昇温用光源を備えている、温調機能を備えた分析装置が提供される。
この分析装置は、液成分の温度または液成分の周りの環境温度を測定するための温度測定手段と、この温度測定手段での測定結果に基づいて、昇温用光源を制御するための光源制御手段と、をさらに備えているのが好ましい。
ここで、本発明でいう「液成分」とは、分析用具に保持された液体のうち、温調の対象となるものをさし、特段の限定がない限りは、分析用具に存在する液体の全てをさす場合もあれば、一部をさす場合もある。たとえば、液体試料と液体試薬とを反応させる系では、液体試料、液体試薬およびこれらの反応液のいずれかを単独でさす場合、あるいはそれらのうちの複数をさす場合の双方が含まれ、もちろん、液体試料、液体試薬あるいは反応液を単独でさす場合においても、そのうちの特定の領域に存在するもののみをさす場合もある。
本発明では、液成分の昇温は、たとえば液成分に光エネルギを直接供給することにより行ってもよいし、液成分に近接して設けられた昇温領域に光エネルギを照射し、この昇温領域からの移動する熱エネルギにより行ってもよい。前者の方法では、光エネルギを直接供給する分だけ、光エネルギの利用効率が高くなるといったメリットがある。ただし、液成分を適切に昇温するためには、水に対する吸収性の高い近赤外光や赤外光、より好ましくは950〜1000nm、1100nm前後、1400〜1500nm、1850〜2100nm、あるいは2500nm前後の近赤外光や赤外光が照射される。一方、後者の方法では、昇温領域を構成する材料は、光エネルギを吸収してそれを液成分に伝播できれば足りるため、種々の材料の中から選択できる。そのため、昇温領域を構成する材料は、その選択の幅がひろく、また昇温領域を構成する材料の光の吸収特性に応じて照射すべき光の波長を選択すればよい。そのため、後者の方法は、光エネルギを直接供給する前者の方法に比べて、光源の選択の幅が広がるといったメリットがある。
光源としては、たとえばレーザダイオード(LD)または発光ダイオード(LED)が使用される。これらのうち、LDを用いるのが好ましい。LDを使用すれば、スポット的な光照射、ひいてはスポット的な加熱が可能となって、照射エネルギの利用効率が高くなる。ただし、加熱用光源としてLDやLEDを用いる場合には、多量の液成分を応答性よく温調するのが困難であるため、温調対象となる液成分の量を、たとえば100μL以下に設定するのが好ましい。もちろん、より多量の液成分の温調を行うために、使用するLDやLEDの数を増やして対応することも可能である。
液成分の温調は、たとえば液成分の温度をモニタリングしつつ、このモニタリング結果をフィードバックして、光源から放出する光エネルギ量を繰り返し制御することにより行うことができる。また、液成分の周りの環境温度と、液成分を目的の温度に昇温するのに必要な光源に対する制御量と、の関係を予め調べておき、測定された環境温度と上記関係とに基づいて光源の制御量を決定するようにしてもよい。
本発明の温調対象となる分析用具としては、光を照射したときの応答から試料の分析を行うように構成されたものが挙げられる。この場合、昇温用の光源としては、試料の分析のために使用する光源を利用することができる。
本発明の適用対象となる分析用具としては、微量な試料を分析するように構成されたマイクロデバイスが挙げられる。もちろん、電気化学的手法により試料の分析を行うように構成された分析用具などを利用して分析を行う場合であっても、本発明を適用することができる。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して具体的に説明する。
図1に示したように、分析装置Xは、分析用具1を利用して試料を分析するための分析機能と、分析用具1の測定部11Cbに保持された液成分10の温度を調整するための温調機能と、を有するものであり、装着部20、測定用光源部21、受光部22、加熱用光源部23、演算部24、および制御部25を備えている。
装着部20は、分析用具1を保持するためのものである。この装着部20には、分析用具1に保持された液成分10の温度を測定するための温度測定部26が埋設されている。この温度測定部26は、装着部20に対して分析用具1を装着したときに、分析用具1に保持された液成分10(測定部11Cb)の直下領域に位置するように配置されている。これにより、温度測定部26において測定される温度が、実際の液成分10の温度により近いものとなる。
温度測定部26としては、たとえばサーミスタや熱伝対のような接触型の温度計を使用することができる。もちろん、放射温度計のように、非接触型の温度計を用いてもよい。この場合には、温度測定部26は、必ずしも装着部20に埋設する必要はない。
測定用光源部21は、液成分10(測定部11Cb)に光を照射するためのものである。これに対して、受光部22は、液成分10からの反射光を受光するためのものである。測定用光源部21は、たとえば水銀ランプや白色LEDにより構成される。これらの光源を用いる場合には、図面上は省略しているが、測定用光源部21からの光をフィルタに入射させてから、液成分10に光が照射される。これは、フィルタにおいて、液成分10中の分析対象成分の光吸収特性に則した波長の光を選択するためである。測定用光源部21は、単一波長の光を出射可能なレーザダイオード(LD)や発光ダイオード(LED)により構成することもできる。一方、受光部22は、たとえばフォトダイオードにより構成される。
加熱用光源部23は、液成分10に対して直接的に光エネルギを供給して、液成分10を昇温するためのものである。この加熱用光源部23は、液成分10を昇温できるものであればその種類は問われず、たとえば水に対する吸収性の高い近赤外光や赤外光、より好ましくは950〜1000nm、1100nm前後、1400〜1500nm、1850〜2100nm、あるいは2500nm前後の近赤外光や赤外光を出射するものが使用される。ただし、駆動電力を考慮した場合には、加熱用光源部23は、レーザダイオード(LD)や発光ダイオード(LED)により構成するのが好ましく、とくにLDにより構成するのが好ましい。LDを使用した場合には、スポット的な光照射、ひいてはスポット的な加熱が可能となって、照射エネルギの利用効率が高くなるからである。
演算部24は、温度測定部26での測定結果に基づいて、液成分10に付与すべきエネルギ量を演算するとともに、その演算値に応じて加熱用光源部23に対する制御量を演算するものである。これに対して、制御部25は、演算部24において演算された制御量に応じて、加熱用光源部23の点灯・消灯を制御し、あるいは点灯時において、加熱用光源部23から出射される光の強度を制御するためのものである。
演算部24および制御部25は、たとえばCPU、ROMおよびRAMにより構成することができ、この場合には、ROMに記憶されたプログラムを、RAMを利用しつつCPUにより実行することにより、加熱用光源部23の制御が行われる。
分析用具1としては、たとえば図2および図3に示したものが使用される。これらの図に示した分析用具1は、微量試料に基づいて試料の分析を行うためのマイクロデバイスとして構成されたものである。このマイクロデバイス1は、反応場を提供するためのものであり、微小な流路11が形成された基板12上に、流路11を覆うようにしてカバー13を積層した形態を有している。
流路11は、試料導入部11A、試薬導入部11Bおよび反応用流路部11Cを有している。試料導入部11Aと試薬導入部11Bとは、反応用流路部11Cの端部11Caにつながっている。反応用流路部11Cは、全体が蛇腹状にくねっており、流路長が大きくなるように工夫されている。そして、反応用流路部11Cの端部11Cbは、測定用光源部21および加熱用光源部23からの光が照射される測定部を構成している(図1参照)。
これに対してカバー13は、試料導入口13a、試薬導入口13bおよび空気抜き穴13cを有している。試料導入口13aは試料導入部11Aの端部11Aaに、試薬導入口13bは試薬導入部11Bの端部11Baに、空気抜き穴13cは反応用流路部11Cの端部11Cbに、それぞれ対応した部位に形成されている。
マイクロデバイス1は、試料と試薬との2液を混合して反応させるものであるが、マイクロデバイスとしては、3液以上を混合するものを使用することができ、もちろん、複数の反応系を構築できるように、複数の流路が形成されたものであってもよい。
マイクロデバイス1では、試料の分析時に、試料導入口13aから試料が、試薬導入口13bから試薬がそれぞれ導入される。これらの試料および試薬は、毛細管現象により試料導入部11Aおよび試薬導入部11Bをそれぞれ移動し、反応用流路部11Cにおいて合流する。これにより、試料と試薬が反応を開始する。試料および試薬は、さらに反応を進行しつつも、毛細管現象により、空気抜き穴13cに向けて反応用流路部11Cを移動し、最終的には測定部11Cbに到達する。
このとき、図1に示した温度測定部26では、測定部11Cbに到達した反応液(液成分10)の温度が経時的に測定されている。この測定結果は、演算部24に送られ、演算部24での演算の基礎とされる。
この演算部24では、液成分10の目的温度と、実際の測定温度との比較が行われ、測定温度が目的温度よりも一定値以上小さい場合には、加熱用光源23に対する制御量(たとえば加熱用光源部23の点灯時間や出射光の強度)が演算される。この演算は、たとえば予め定められた演算式に測定温度を当てはめることにより行われる。演算部24での演算結果は、制御部25に送られる。
これに対して制御部25は、演算結果に応じて加熱用光源部23を必要時間だけ、必要強度で点灯させる。これにより、測定温度と目的温度との差に応じた分だけ液成分10が昇温される。一方、制御部25は、測定温度が目的温度よりも大きい場合には、加熱用光源部23を消灯制御する。このような点灯・消灯制御は、温度測定部26での測定結果をフィードバックすることにより繰り返し行われる。
加熱用光源部23の制御は、液成分10の周りの環境温度を測定した上で、この環境温度に基づいて行ってもよい。より具体的には、まず、環境温度と、液成分10を目的の温度に昇温するのに必要な加熱用光源部23に対する制御量と、の関係を予め調べておく。この関係は、たとえばテーブル化あるいは関数化した上で演算部24などにおいて記憶させられる。そして、温度測定部26において測定された環境温度から、上記関係(テーブルや関数)を参照して対応する制御量を決定し、この制御量に応じて加熱用光源23を制御する。
この制御方法では、たとえば加熱用光源23の制御を繰り返し行わずに、一度の制御によって温調が行われる。
本実施の形態のように、光エネルギを用いて液成分10の温調を行うようにすれば、液成分を直接的に昇温することができるために供給エネルギの利用効率が高くなる。そのため、消費電力の面でメリットがある。しかも、光源としてLDやLEDを用いることができるため、この場合には、内部電源として使用される小型電池によっても、電池寿命を著しく短縮化することなく、十分に液成分を昇温することができる。したがって、小型の分析装置においても、それを大型化することなく、内部電源を利用して液成分の温調を行うことができるようになる。そして、内部電源により対応できるようになれば、外部電源と接続する必要がなくなり、アダプタが必須のアイテムではなくなる。そのため、分析装置を持ち歩く際に、アダプタを携帯する必要がなくなって、携帯性がよくなる。
もちろん、本発明は上述した実施の形態には限定されず、種々に設計変更が可能である。たとえば、本実施の形態では、液成分に照射した光の反射光に基づいて分析を行うように構成された分析装置を例にとって説明したが、本発明は透過光に基づいて液成分を分析するように構成された分析用具に対しても適用可能である。また、測定部11Cbの液成分に限らず、これに加えて、あるいはこれに代えて、試料導入部11A、試薬導入部11Bおよび反応用流路部11Cのうちの少なくとも1つの部分に存在する液成分を温調するようにしてもよい。
図4および図5に例示したように、液成分に光エネルギを直接供給せずに、液成分に対して間接的に光エネルギを供給するようにしてもよい。図4に示した例では、空気抜き穴13cの周囲を囲むようにして昇温領域14aが設けられている。一方、図5に示した例では、測定部11Cb(液成分)の直下に昇温領域14bが設けられている。これらの例では、昇温領域14a,14bに対して光エネルギを供給することによって昇温領域14a,14bを加熱・昇温し、その熱エネルギを液成分に伝播させることにより液成分の昇温が行われる。
昇温領域14a,14bを構成する材料は、光を吸収してそれを液成分に伝播できるものであれば足りるため、種々の材料の中から選択でき、その選択の幅がひろい。そのため、当該昇温方法では、昇温領域14a,14bを構成する材料の光の吸収特性に応じて、照射すべき光の波長、すなわち光源を選択すればよいため、液成分に光エネルギを直接供給する方法(図1参照)に比べて、光源の選択の幅が広がるといったメリットがある。
昇温領域14a,14bの形状や配置場所は、図4および図5に例示されたものには限定されず、また液成分を直接的に昇温する方法と間接的に昇温する方法とを組み合わせて昇温を行う。
本発明は、光学的手法により分析を行う分析装置に限らず、電気化学的手法により分析を行うように構成された分析装置に対しても適用可能である。たとえば、分析用具として図6および図7に示したバイオセンサ3を装着し、電圧印加時の応答電流に基づいて試料の分析を行うように構成された装置にも適用することができる。
図示したバイオセンサ3は、基板30上にキャピラリ30aが設けられたものである。キャピラリ30aは、基板30上に、スリット31aが設けられたスペーサ31を介して、穴部32aが形成されたカバー32を積層することにより形成されている。キャピラリ30aには、端部に試料液導入口33が設定されており、その内部には固体状の試薬37が保持されている。試料液導入口33から導入された試料は、試薬37を溶解しつつ、毛細管現象により穴部32aに向けてキャピラリ30a内を進行する。
基板30上には、測定用電極としての作用極34と、対極35と、一対の検知用電極36とが設けられている。これに対して分析装置は、各電極34〜36にそれぞれ接触させるための測定用端子4a,4bおよび検知用端子4c,4dを有している。端子4b,4dは、グランドに接続されているのに対して、端子4a,4cは、電源40に接続可能とされている。そして、スイッチSを切り替えることにより、電源40が作用極34と対極35との間に電位差を付与する状態と、一対の検知用電極36の間に電位差を付与する状態とを選択することができる。
この分析装置では、たとえば試料と試薬37との反応液に対して電圧を印加することにより、反応生成物と電極との間で電子授受が行われ、その量に応じた応答電流が測定されるように構成されている。
このような構成においては、バイオセンサ3においてキャピラリ30aに反応系が構築されるため、その反応系に光エネルギを供給することによって反応系の昇温ひいては反応系の温調が行われる。ただし、反応系が基板30とカバー32との間に形成されているため、反応系に対して光エネルギを直接的に供給する場合には、基板30またはカバー32における光吸収量を少なくするために、光源から出射される光に対して、吸収が少ない材料により基板30またはカバー32を形成するのが好ましい。もちろん、図6に示したバイオセンサ3およびこれに対応した分析装置は例示であり、先に説明した以外の電気化学的手法により試料の分析を行うように構成された装置にも本発明を適用可能である。
本発明を適用することができる分析用具としては、毛細管現象により試料や試薬などを移動させるものには限らず、たとえば図8Aに示したように電気泳動によりそれらを移動させるもの、あるいは外部ポンプの動力により、それらを移動させるものであってもよい。
図8Aに示した分析用具5は、2つの流路50,51が交差して設けられており、各々の流路50,51に泳動バッファが充填されている。この分析用具5では、分析時に各流路50,51の両端部に電位差が与えることにより、導入口52から導入された試料が流路51で反応しつつ測定部53に向けて流路51を移動する。
一方、図8Bに示した分析用具6は、試料導入部60、反応部(測定部)61、廃液貯留部62および吸引部63が並んで形成されたものである。この分析用具6では、吸引部63が外部ポンプに接続されて、ポンプの動力により試料が移動させられる。もちろん、圧電素子などを利用したマイクロポンプを内蔵することにより、このマイクロポンプにより試料などを移動させるように構成された分析用具であってもよい。
分析用具としては、たとえば図8Cに示したように、短冊片の基材70上に固体状の試薬パッド71が形成されたものであってもよい。もちろん、試薬パッド71の数は、図示したものには限定されない。
【図面の簡単な説明】
図1は、本発明に係る分析装置の一例の概略構成を示す模式図である。
図2は、マイクロデバイスの一例を示す全体斜視図である。
図3は、図2のIII−III線に沿う断面図である。
図4は、液成分の昇温方法の他の例を説明するためのマイクロデバイスの斜視図である。
図5は、液成分の昇温方法のさらに他の例を説明するためのマイクロデバイスの断面図である。
図6は、本発明の適用対象となる分析用具の他の例を示す全体斜視図である。
図7は、図6のVII−VII線に沿う断面図である。
図8A〜図8Cは、本発明の適用対象となる分析用具のさらに他の例を示す全体斜視図である。
図9Aおよび図9Bは、従来の温調方法を説明するための分析装置の要部を示す断面図である。
Claims (20)
- 試料の分析を行うために使用される分析用具において、この分析用具に保持された液成分を目的温度に調整する方法であって、
上記液成分を昇温する場合に、光源からの光エネルギを利用して上記液成分の加熱を行う、分析用具の温調方法。 - 上記液成分の昇温は、上記液成分に上記光エネルギを直接供給することにより行う、請求項1に記載の分析用具の温調方法。
- 上記液成分の昇温は、上記液成分に近接して設けられた昇温領域に上記光エネルギを供給し、この昇温領域から移動する熱エネルギにより行う、請求項1に記載の分析用具の温調方法。
- 上記光源は、水に対する吸収性の高い波長の光を出射するものである、請求項2に記載の分析用具の温調方法。
- 上記光源は、赤外光または近赤外光を出射するものである、請求項4に記載の分析用具の温調方法。
- 上記光源は、レーザダイオードまたは発光ダイオードである、請求項1に記載の分析用具の温調方法。
- 上記液成分の温度をモニタリングしつつ、このモニタリング結果をフィードバックして、上記光源から放出する光エネルギ量を繰り返し制御して上記液成分の温調を行う、請求項1に記載の分析用具の温調方法。
- 上記液成分の周りの環境温度と、上記液成分を目的の温度に昇温するのに必要な上記光源に対する制御量と、の関係を予め調べておき、
測定された環境温度と上記関係とに基づいて上記光源の制御量を決定し、この制御量に応じて上記光源を制御する、請求項1に記載の分析用具の温調方法。 - 上記分析用具は、光を照射したときの応答から試料の分析を行えるように構成されたものである、請求項1に記載の分析用具の温調方法。
- 上記光源として、試料の分析を行うために上記分析用具に対して光を照射するための光源を利用する、請求項9に記載の分析用具の温調方法。
- 温調対象となる液成分の量は、100μL以下である、請求項1に記載の分析用具の温調方法。
- 上記分析用具は、マイクロデバイスである、請求項1に記載の分析用具の温調方法。
- 試料を保持した分析用具を利用して上記試料の分析を行うとともに、上記分析用具に保持された液成分の温度を調整できるように構成された分析装置であって、
上記液成分を昇温するための昇温用光源を備えている、温調機能を備えた分析装置。 - 上記液成分の温度または上記液成分の周りの環境温度を測定するための温度測定手段と、
この温度測定手段での測定結果に基づいて、上記昇温用光源を制御するための光源制御手段と、
をさらに備えている、請求項13に記載の分析装置。 - 上記分析用具が、光が照射されたときの応答から試料の分析を行えるように構成されている場合において、
試料の分析を行うために上記分析用具に対して光を照射するための分析用光源を備えている、請求項13に記載の分析装置。 - 上記昇温用光源は、上記分析用光源と同一のものである、請求項15に記載の分析装置。
- 上記昇温用光源は、水に対する吸収性の高い波長の光を出射するように構成されている、請求項13に記載の分析装置。
- 上記昇温用光源は、赤外光または近赤外光を出射するものである、請求項17に記載の分析装置。
- 上記昇温用光源は、レーザダイオードまたは発光ダイオードである、請求項13に記載の分析装置。
- 上記分析用具は、マイクロデバイスである、請求項13に記載の分析装置。
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