JPWO2020184485A1 - モニタリング装置、及びモニタリングシステム - Google Patents

Abstract

実施形態に係るモニタリング装置は、微小物を載置する基材から受光可能な入射面及び入射面から入射した光を出射する出射面を有し、前記微小物の２次元画像情報を半導体光センサに転送する画像転送素子、及び出射面から受光する半導体光センサを備えた検出部を含む。

Description

本発明の実施形態は、モニタリング装置、及びモニタリングシステム

培養容器（フラスコ、ディッシュ、マルチウェルプレート）内の細胞を観察するとき、通常の明視野では細胞はほぼ透明で視認性が悪く、コントラストが得られないことから、一般に、位相差法や微分干渉法が使用されている。しかしながら、用いられる顕微鏡は、ピント合わせなど人の手技や、そのための機械制御が必要である。また、装置が大きく（レンズなどの光学系）、並列性が低く、輸送ボックスに収まらない。

このため、位相差法や微分干渉法は、特にインキュベータの中、輸送ボックス中、及びスタッキングされている培養プレートの各プレートなどに載置された細胞の観察には不向きである。

また、ＣＭＯＳイメージセンサなどの半導体光センサに測定対象を接触させて観察を行うレンズレスイメージング法は、位相差法や微分干渉法に比べて対物レンズが無い分小型であり、培養容器を置くだけで測定対象の顕微観察画像が得られるが、半導体光センサが容易に動作不良になることが多く、繰り返し利用する用途には不向きである。

このようなことから、細胞を人の手を介さずにモニタリングしてイメージングできる簡便なモニタリング装置が求められている。

特開２００２−２８６６４３号公報 特開平４−３１６４７８号公報

本発明の実施形態は、微小物の画像の視認性が良好なモニタリング装置を得ることを目的とする。

微小物を載置する光透過可能な基材から受光可能な入射面及び前記入射面から入射した光を出射する出射面を有する画像転送素子、及び前記出射面から受光する半導体光センサを備えた検出部とを含み、
前記画像転送素子は前記半導体光センサを前記基材との接触から保護し、かつ前記微小物の２次元画像情報を前記半導体光センサに転送するモニタリング装置。

図１は、第１実施形態にかかるモニタリング装置の構成を模式的に表す断面図である。

図２は、ファイバオプティクプレートの作用を説明するための図である。

図３は、ファイバオプティクプレートの入射角度と光路長との関係を表すグラフ図である。

図４は、ファイバオプティクプレートの入射角度と透過率との関係を表すグラフ図である。

図５は、細胞の観察画面の画像の一例を表す中間調画像写真である。

図６は、比較の画像の一例を表す顕微鏡写真である。

図７は、第１実施形態にかかるモニタリング装置の第１変形例を表す図である。

図８は、図７を上から見た図である。

図９は、第１実施形態にかかるモニタリング装置の第２変形例を表す図である。

図１０は、図９を上から見た図である。

図１１は、第１実施形態にかかるモニタリング装置の第３変形例を表す図である。

図１２は、図１１の積み重ねの構成を模式的に表す断面図である。

図１３は、第１実施形態にかかるモニタリング装置の第４変形例を表す図である。

図１４は、第１実施形態にかかるモニタリング装置の第５変形例を表す図である。

図１５は、第１実施形態にかかるモニタリング装置の第６変形例を表す図である。

図１６は、第１実施形態にかかるモニタリング装置の第７変形例を表す図である。

図１７は、第１実施形態にかかるモニタリング装置の第８変形例を表す図である。

図１８は、微小物と散乱光の様子を説明するための図である。

図１９は、第１実施形態にかかるモニタリング装置の第９変形例を表す図である。

図２０は、第２実施形態にかかるモニタリングシステムを表すブロック図である。

図２１は、実施形態にかかるモニタリング装置の検出部の変形例を構成を模式的に表す図である。

図２２は、実施形態にかかるモニタリング装置の検出部の他の変形例を構成を模式的に表す図である。

図２３は、実施形態にかかるモニタリング装置の検出部の一例の斜視図である。

図２４は、図２３のＸ−Ｘ’断面図である。

図２５は、図２３のＹ−Ｙ’断面図である。

図２６は、隙間に樹脂を埋める方法を説明するための図である。

図２７は、実施形態に用いられる静止摩擦力を説明するための模式図である。

図２８は、図２７の容器の斜視図である。

図２９は、図２７の容器の矢印ｙ，ｚに沿った断面を表す模式図である。

図３０は、容器を高さｔで切り取ったと仮定した場合の底部断面を表す模式図である。

図３１は、傾斜角度θと溶液の体積Ｖとの関係を表すグラフ図である。

図３２は、第１実施形態にかかるモニタリング装置の第１２変形例を表す斜視図である。

図３３は、図３２を角度を変えて見た斜視図である。

図３４は、Ｚ−Ｚ’断面図である。

図３５は、第１実施形態にかかるモニタリング装置の第１３変形例を表す斜視図である。

図３６は、第２実施形態にかかるモニタリングシステムの構成を表す図である。

図３７は、図３６のモニタリングシステムを表すブロック図である。

図３８は、レポート画面の第１例を表す図である。

図３９は、レポート画面の第２例を表す図である。

図４０は、レポート画面の第３例を表す図である。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。

実施形態に係るモニタリング装置は、微小物を載置する光透過可能な基材から受光可能な入射面及び前記入射面から入射した光を出射する出射面を有する画像転送素子と、前記出射面から受光する半導体光センサとを含む。

画像転送素子は、透明な基材に載置された微小物の２次元画像情報を、良好な視認性を維持したまま、半導体光センサに転送することができる。この転送は、例えば微小物を透明な基材を有する容器に収容して画像転送素子の上に置くだけで行うことが可能であり、複雑な光学システムなどを用いる必要はない。画像転送素子としてはファイバオプティクプレート、セルフォック（登録商標）レンズ、またはセルフォックレンズアレイなどの光学素子を用いることができる。画像転送素子を設けることにより、半導体光センサを基材との接触から保護して、損傷を防止することができる。また、微小物と半導体光センサとの間に画像転送素子が設けられていると、微小物と半導体光センサとの距離を離すことができるので、例えば半導体光センサなどで発生する熱による微小物への影響を低減することができる。一方、透明な基材に載置された微小物と半導体光センサとの間に画像転送素子が設けられていないと、画像がぼやけて微小物を視認することは困難である。

また、前記画像転送素子がファイバオプティクプレートである場合は、前記微小物に照射された光のうち前記微小物で散乱された光を散乱角度依存的にフィルタリングし、前記微小物で散乱されず前記ファイバオプティックプレートのファイバー軸に対し平行に入射する光を前記半導体光センサへ透過することでコントラストのある画像を得る。

なお、開示はあくまで一例にすぎず、当業者において、発明の主旨を保っての適宜変更であって容易に想到し得るものについては、当然に本発明の範囲に含有されるものである。また、図面は説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。また、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略することがある。

図１は、第１実施形態にかかるモニタリング装置の構成を模式的に表す断面図である。

図示するように、モニタリング装置１０は、検出部９と、検出部９上に設けられ、観察対象となる試料としての微小物７を収容した光透過可能な容器６と、容器６の上方に微小物７に対向して設けられた、微小物７に光を照射するための光源８を有する。

光源８としては、点光源、線光源、平行光源、及び面光源等を使用可能であり、好ましくは、平行光源を用いることができる。微小物７は、例えば細胞であり、ヒトを含む動物細胞、血球細胞、卵、精子、オルガノイド、細菌、菌などを含む。細胞以外では、ＰＭ１０、ＰＭ２．５などの環境浮遊微小物、マイクロビーズなどを含む。容器６は光透過可能であり、微小物として細胞を収容する場合、容器６として例えば、ディッシュ、細胞培養用フラスコ、及びマルチウェルプレート等を使用することができる。図１では例としてディッシュを示している。容器６には微小物を保持するための図示しない培養液を入れることができる。なお、以下、モニタリング装置に容器を載置した状態で説明をするが、容器は必ずしもモニタリング装置の必須の構成要件ではない。

検出部９は、配線基板１上に設けられた半導体光センサ３と、半導体光センサ３上に設けられた画素アレイ２と、画素アレイ２を介して半導体光センサ３上に設けられた画像転送素子５と、画像転送素子５及び半導体光センサ３を支持する支持部材４とを有する。支持部材４は、容器６を載置するための載置部４ｂを有する。半導体光センサ３は、接合部材例えばボンディングワイヤ６１等により配線基板１上に電気的に接続することができる。支持部材４は、配線基板１上に設けられ、画素アレイ２、半導体光センサ３、及び画像転送素子５を側面から支持している。半導体光センサ３としては、ＣＭＯＳエリアセンサ、ＣＣＤエリアセンサ、およびラインセンサ等があげられる。

画像転送素子５は、一方の端面に入力された２次元画像情報を他方の端面に転送する素子であり、底部の基材の厚さが１０ｍｍ以下の光透過可能な容器６に収容した微小物について、底部の基材越しに観察を行うためには、ファイバオプティクプレート、セルフォックレンズ、またはセルフォックレンズアレイを用いることができる。

以下、代表的な画像転送素子５としてファイバオプティクプレートを用いて説明する。

図２に、ファイバオプティクプレートの作用を説明するための図を示す。

ファイバオプティクプレート５は、光ファイバーを束にした光学デバイスであり、光ファイバーは、コア１２とクラッド１３からなる。コア１２は光が伝わる中心部で屈折率が高く、クラッド１３はコア１２の外側をカバーし、屈折率が低く、光を閉じ込めることができる。ファイバオプティクプレートの透過率は平行光と拡散光で透過率が異なるため、所定の角度の光を選択的に透過する効果がある。

図示するように、ファイバオプティクプレート５は、微小物７としての細胞に照射された矢印１０１，１０２，１０３，１０４で表される光を容器６を介して受光する入射面５ａと、入射した光を半導体光センサ３へ出射する出射面５ｂとを含む。なお、ここでは、画素サイズはファイバー径Ｒと同等な場合を好適例として図示しているが、ファイバー径Ｒが微小物７に対して十分微細であれば、必ずしも画素サイズとファイバー径Ｒが一致している必要は無い。

このように、実施形態に用いられるファイバオプティクプレートは、微小物に照射されて散乱した光のうち前記微小物で散乱された光を散乱角度依存的にフィルタリングし、微小物で散乱されずファイバオプティックプレートのファイバー軸に対し平行に入射する光を半導体光センサへ透過することでコントラストのある画像を得ることができる。

図３に、ファイバオプティクプレートの入射角度と光路長との関係を表すグラフ図を示す。また、図４に、ファイバオプティクプレートの入射角度と透過率との関係を表すグラフ図を示す。

ファイバオプティクプレートの角度依存的なフィルタリングは、図３のグラフ１２１に示すように、入射角度ψのとき光路長がファイバー長Ｌに対してＬ／ｃｏｓψで増加する効果と、コアとクラッド界面での反射時の減衰効果を有する。例えば、角度ψが±６０度の光の光路長は０度の光に対して２倍になる。光路長は透過率に対して指数的に寄与するため、図４のグラフ１２２に示すように、例えば０度の光に対して透過率５０％の場合を考えると、６０度の光に対する透過率は２５％と大きく減衰する。さらに、ここでは簡単のためにコアとクラッド界面での反射による減衰効果を考えていないため、実際にはより大きく減衰する。以下、６０度を一つの閾値角度として説明する。

例えば、細胞中央部に照射された光は矢印１０１に示すように垂直に透過し、半導体光センサ３へ出射される。細胞中心近辺に照射された光は矢印１０２に示すように中心に集光して半導体光センサ３へ出射される。ファイバー軸２００に対する角度ψが±６０度の範囲であり、細胞淵部に照射された光は矢印１０３に示すように、屈折してファイバオプティクプレート５で減衰する。ファイバオプティクプレートは、角度ψが±６０度の範囲外の光を受光することが可能であるけれども、そのほとんどは減衰してしまうと考えられる。非細胞域に照射された光は、矢印１０４に示すようにそのまま透過し、半導体光センサ３に到達する。

このようなことから、ファイバオプティクプレート５を介して細胞を観察すると、細胞の画像は、中心部は明るくなり、淵が暗くなる。これにより、透明な細胞の輪郭にコントラストの付いた画像が得られる。

図５に、実施形態を用いた細胞の観察画面の画像の一例を表す中間調画像写真を示す。

図６に、比較の位相差顕微鏡を用いた細胞の画像の一例を表す顕微鏡写真を示す。

細胞は、ＨｅＬａ細胞をパラホルムアルデヒドで処理したものを使用し、３５ｍｍ径のガラスボトムディッシュに収容して使用した。

図５に示すように、実施形態を用いた細胞の画像では、中心部は明るくなり、淵が暗くなり、図６の位相差顕微鏡写真と比較して、細胞のコントラストがより明確になり、細胞の画像の視認性が良好となる。

また、位相差法や微分干渉法などの顕微鏡による観察は、ピント合わせやそのための機械制御は人の手で行われる。さらに、レンズなどの光学系の部品が必要であるため、装置が複雑となる。これに対し、実施形態にかかる装置では、細胞に当たった光を受光するだけでコントラストが明確な画像が得られ、人手による画像の調整が必要ない。また、光学系の部品が必要ないので、装置構造が簡素である。このように、実施形態にかかるモニタリング装置を用いて、細胞のような透明な微小物を観察すると、低コストで、コントラストが明確な画像が容易に得られる。

ファイバー径Ｒは、下記式（Ａ１）に示すように、ナイキストの定理に基づき、微小物
（細胞）の径ｒの半分未満にすることができる。
Ｒ＜ｒ／２…（Ａ１）
個々の細胞を識別する場合では、標準的な細胞種の大きさが約１０μｍであることから、ファイバー径Ｒはその半分未満、１μｍ〜５μｍ例えば３μｍにすることができる。また、ファイバー径Ｒは実用的には、１μｍ未満であると、可視光波長の透過率が大きく減衰する傾向があり、５μｍを超えると、ナイキストの定理より１０μｍ以下の情報を検出できなくなる。

半導体光センサの画素サイズは、ファイバー径Ｒ以下にすることができる。

矢印１０３で示す斜めの光をコントラストが得られる程度に減衰するには、ファイバオプティクプレートの厚さｔは十分な厚みが必要である。実験的に厚さｔは２．５４ｍｍで像が得られることを確認した。なお、厚さｔはそれに限られたものではなく、必要コントラストに応じて、また細胞種の扁平性に応じて、０．５ｍｍ以上、１ｍｍ以上、１０ｍｍ以上にすることができる。また、実用的には、厚さｔは１〜５ｍｍにすることができる。１ｍｍ未満であると、角度依存的フィルタリングの効果が小さくなりコントラストが得られにくくなる傾向がある。また、１ｍｍを超えると、ボンディングワイヤ６１のループ高さを上回り、ファイバオプティクプレートの端面を面一にして容器６に直接接地できるようになる。なお、使用する容器６の底厚はガラス容器の場合は例えば０．２ｍｍ以下、プラスチック容器の場合は１〜２ｍｍ程度である。

図１に示すように、検出部９において、ファイバオプティクプレート５の端面である入射面５ａと、ファイバオプティクプレート５を支持する支持部材４の容器６側に設けられた載置部４ｂに含まれる端部４ａと面一にすることができる。ファイバオプティクプレート５の入射面５ａは、容器６の底６ｂに密着することができる。例えば、支持部材４の端部４ａが入射面５ａよりも容器６側に突出していると、入射面５ａと容器６の底６ｂとの間に空気層が設けられる。この場合、容器６と、容器６とは屈折率の異なる空気層との界面、及び入射面５ａと空気層との界面で、それぞれ屈折や反射が生じる。このために、半導体光センサにおいて明瞭な像を得ることが困難となる傾向がある。

支持部材４は、少なくとも一部が前記入射面５ａと面一の端部を含むことができる。

図２１に、実施形態にかかるモニタリング装置の検出部の他の例を構成を模式的に表す断面図を示す。

図示するように、このモニタリング装置１３０では、支持部材４の容器６側の端部４ａは、ファイバオプティクプレート５の入射面５ａよりも、ファイバオプティクプレート５のファイバー軸の方向と平行な方向に下げられている。これにより、入射面５ａは容器６側に突出して、容器６の底６ｂに密着し得る。この場合、検出部９は光学的に問題ないが、構造的な安定性が悪くなり、入射面５ａにクラックを生じる恐れがある。端部４ａに対する入射面５ａの高さｔ１は、０ｍｍ以上１ｍｍ以下にすることができる。

実施形態にかかるモニタリング装置は、観察が容易であり、構造が簡素であるため、一度に複数の試料の観察も可能である。

（マルチモニタリング装置１）
図７は、第１実施形態にかかるモニタリング装置の第１変形例を表す図であり、複数の試料を観察可能なモニタリング装置の構成の一例を模式的に表す断面図を示す。

図８は、図７を上から見た図を示す。

但し、試料は省略した。

図示するように、モニタリング装置２０は、容器６と検出部９の構成が異なること以外は図１に示すモニタリング装置１０と同様である。ここでは、１つの容器６の代わりに、複数の試料７−１，７−２をそれぞれ収容する複数のウェル１５−１，１５−２を有するマルチウェルプレート１４が用いられる。また、１つの検出部９の代わりに複数の検出部１７が用いられる。複数の検出部１７として、各ウェル１５−１，１５−２，１５−３，１５−４，１５−５，１５−６に対向して、各々１つずつの検出部１７−１，１７−２，１７−３，１７−４，１７−５，１７−６が設けられている。

このモニタリング装置２０を用いると、例えば試料７−１，７−２のような複数の試料を、それぞれの検出部１７−１，１７−２，１７−３，１７−４，１７−５，１７−６で並列して同時に観察することが可能である。

隣接する検出部１７−１，１７−２において、それぞれのファイバオプティクプレート５の端面である入射面５ａ−１，５ａ−２と、ファイバオプティクプレート５を支持する支持部材４のマルチウェルプレート１４側に設けられた載置部に含まれる端部４ａ−１，４ａ−２とを全て面一にすることができる。

図９は、第１実施形態にかかるモニタリング装置の第２変形例を表す図であり、試料を複数の検出部で観察可能なモニタリング装置の構成の他の一例を模式的に表す断面図を示す。

図１０は、図９を上から見た図を示す。

但し、試料は省略した。

図示するように、モニタリング装置３０は、容器６と検出部９の構成が異なること以外は、図１と同様の構成を有する。ここでは、容器６として、ディッシュに加えて、ディッシュよりサイズの大きい細胞培養用フラスコ１６を用いる。また、１つの検出部９の代わりに、１つの細胞培養用フラスコ１６に対し、複数の検出部１８−１，１８−２，１８−３，１８−４，１８−５，１８−６を適用する。

このモニタリング装置３０を用いると、試料７のいろいろな領域に、それぞれの独立した検出部１８−１，１８−２，１８−３，１８−４，１８−５，１８−６を設けることにより、培養容器全体を効率的にカバーして、コントラストが明確で視認性の良い画像を、同時に観察することが可能である。

隣接する検出部１８−１，１８−２において、それぞれのファイバオプティクプレート５の端面である入射面５ａ−３，５ａ−４と、ファイバオプティクプレート５を支持する支持部材４の細胞培養用フラスコ１６側に設けられた載置部に含まれる端部４ａ−３，４ａ−４とを全て面一にすることができる。

（マルチモニタリング装置２）
図１１は、第１実施形態にかかるモニタリング装置の第３変形例を表す図であり、複数の試料を積み重ねて観察可能なモニタリング装置の構成の一例を模式的に表す斜視図を示す。

図１２は、図１１の積み重ねの構成を模式的に表す断面図を示す。

図１１に示すように、モニタリング装置５０は、インキュベータ５１と、インキュベータ５１内に設けられた例えば２段の棚５２と、棚５２内に、例えばそれぞれ３段ずつ積み重ねられたモニタリング部４０−１，４０−２，４０−３からなる複数のモニタリング部複数４０を有する。

また、図１２に示すように、モニタリング部４０−１，４０−２，４０−３のそれぞれは、図７のモニタリング装置２０と同様に、複数の検出部１７と、複数の検出部１７に各々対向して設けられた複数のウェルを有するマルチウェルプレートとを備えている。さらに、複数のモニタリング部４０は、モニタリング部４０−１，４０−２，４０−３のうち、積み重ねの一番下のモニタリング部４０−３以外のモニタリング部４０−１，４０−２は、基板１の半導体光センサ３が設けられた面とは反対面１ａに、その下の段の容器６と対向して光源２１がさらに設けられている。例えば、モニタリング部４０−１及び４０−２の光源２１は、各々、その下段のモニタリング部４０−２，４０−３に光照射を行う。積み重ねの一番下のモニタリング部４０−３は、図７のモニタリング装置２０と同様の構成を有し、基板１の半導体光センサ３が設けられた面とは反対面１ａに光源２１は設けられない。一方、モニタリング部４０−１に光照射を行う図示しない光源は、モニタリング部４０−１のマルチウェルプレート１４に対向する棚板の面５２ａに設けられる。

実施形態によれば、モニタリング部を積み重ねて配置し、光源を、隣接するモニタリング部間に位置する基板に設けることにより、インキュベータのような限られた空間に、より多くのモニタリング部を緻密に配列させることが可能となる。このように、このモニタリング装置５０を用いると、コントラストの明確な視認性の良い画像を稼働率良く観察することが可能となる。

また、各段の隣接する検出部１７−１，１７−２において、それぞれのファイバオプティクプレート５の端面である入射面５ａ−１，５ａ−２と、ファイバオプティクプレート５を支持する支持部材４のマルチウェルプレート１４側に設けられた載置部に含まれる端部４ａ−１，４ａ−２とを全て面一にすることができる。

（蛍光プローブのモニタリング装置）
図１３は、第１実施形態にかかるモニタリング装置の第４変形例を表す図であり、ファイバオプティクプレートと光学フィルターの組み合わせを使用した蛍光プローブを観察可能なモニタリング装置の構成の一例を模式的に表す断面図を示す。

図示するように、モニタリング装置６０は、画素アレイ２とファイバオプティクプレート５との間に所定波長の光を遮断する光学フィルター２２をさらに設けている。また、光源として平行光源２３を使用し、微小物として蛍光プローブを導入した細胞７’を使用する。モニタリング装置６０は、光源と観察対象となる微小物が限定され、光学フィルター２２をさらに使用すること以外は図１と同様の構成を有する。

モニタリング装置６０では、まず、平行光源２３より予め蛍光プローブを導入した細胞７’にほぼ平行な励起光を照射することができる。励起光により細胞７’が発光すると、ファイバオプティクプレート５に入射する。入射した光は、半導体光センサ３へ出射する前に光学フィルター２２に通される。光学フィルター２２としては、所定波長の光を遮断する誘電体多層膜、染料や顔料等を含むカラーフィルター等を使用することができる。

光学フィルターとして誘電体多層膜を用いる場合、フィルターの角度依存性のため励起光が平行であることが必要で、通常は、光学系の構成が容易でない。これに対し、モニタリング装置６０では、ファイバオプティクプレートを用いることにより、遮断すべき励起光の平行性が容易に向上し、照射する励起光に要求される平行度が緩和される。

また、このモニタリング装置６０を用いて、ファイバオプティクプレート５を介して細胞７’を観察すると、その中心部は明るくなり、淵が暗くなることにより、発光した細胞７’の画像のコントラストが明確になり、視認性が良好となる。

（反射光を用いたモニタリング装置）
図１４は、第１実施形態にかかるモニタリング装置の第５変形例を表す図であり、光源からの反射光を使用して試料を観察可能なモニタリング装置の構成の一例を模式的に表す断面図を示す。

図示するように、モニタリング装置７０は、容器６の上方に設けられた光源８の代わりに、基板１上に設けられた光源２４を用いること以外は、図１と同様の構成を有する。光源２４は、培養液２５の液面２５ａで反射した反射光３５が微小物７に照射するように設けられる。

このモニタリング装置７０を用いると、液面２５ａでの反射で実質的に容器６の上方から照明した作用が得られ、図１と同様に、低コストで、コントラストが明確な画像が容易に得られる。

液面における反射率は、下記式（Ａ２）で表される。

反射率 Ｒ１ ＝ （（ｎ０−ｎ１）／（ｎ０＋ｎ１））^２×１００…（Ａ２）
使用する培養液の屈折率ｎ１＝１．３であり、空気の屈折率ｎ０＝１．０であるので、これを代入すると液面では反射率１．７％となる。

図１５は、第１実施形態にかかるモニタリング装置の第６変形例を表す図であり、光源からの反射光を使用して試料を観察可能なモニタリング装置の構成の他の一例を模式的に表す断面図を示す。

図示するように、モニタリング装置８０は、容器６の上方に反射板２６を配置すること以外は、図１４と同様の構成を有する。このように、反射板２６を置くことで、反射面２６ａで反射した反射光３６を微小物７にさらに照射することができるので、反射光の効率を９０％以上に高めて、低コストで、コントラストが明確な視認性の良い画像が容易に得られる。

また、モニタリング装置７０及び８０では、同じ検出部９の基板１に光源を設けることにより、異なるフォーマットの容器を混載してインキュベーションする場合、管理が容易になる。このため、同じインキュベータ内で、異なる培養実験を平行して行なうことも可能となる。

（スキャン可能なモニタリング装置）
図１６は、第１実施形態にかかるモニタリング装置の第７変形例を表す図であり、試料を走査しながら観察可能なモニタリング装置の構成の一例を模式的に表す断面図を示す。

図示するように、モニタリング装置９０は、基板１に取り付けられ、検出部９を水平移動可能に支持する水平駆動機構２７をさらに有すること以外は、図１と同様の構成を有する。

モニタリング装置９０を用いると、容器６の下の検出部９が水平移動可能であるため、試料を走査しながら観察可能であり、図１と同様に、低コストで、コントラストが明確な画像が容易に得られる。

図１７は、第１実施形態にかかるモニタリング装置の第８変形例を表す図であり、試料を走査しながら観察可能なモニタリング装置の構成の他の一例を模式的に表す断面図を示す。

図示するように、モニタリング装置１００は、ファイバオプティクプレート５と検出部９の構成が異なり、検出部を水平移動可能に支持する水平駆動機構２８をさらに有すること以外は図１と同様の構成を有する。ここでは、ファイバオプティクプレート５が容器６の底部に固定されている。また、検出部９の代わりに、配線基板１上に、ボンディングワイヤ１１により接続された半導体光センサ３と、半導体光センサ３上に設けられた画素アレイ２と、半導体光センサ３及び画素アレイ２を側面から支持する一対の支持部材４と有する検出部９’を使用する。

モニタリング装置１００を用いると、容器６に取り付けられたファイバオプティクプレート５の下の検出部９’が水平移動可能であるため、試料を走査しながら観察可能であり、図１と同様に、低コストで、コントラストが明確な視認性の良い画像が容易に得られる。なお、ここでは、検出部９，９’側を移動したが容器６側を水平移動させることも可能である。半導体光センサとしてアレイセンサのほか、ラインセンサを使用することも可能である。

（前方散乱光及び側方散乱光を検知するモニタリング装置）
図１８に、微小物と散乱光の様子を説明するための図を示す。

図示するように、例えば内部に微小構造体を有する細胞のような微小物では、照射した光３４に対して散乱光３３が生じる。散乱光３３のうち、前方散乱（ＦＳＣ： Ｆｏｒｗａｒｄ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）３３ａは細胞の大きさを、側方散乱（ＳＳＣ： Ｓｉｄｅ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）３３ｂは内部構造の複雑さのパラメータとして知られている。要求される情報に応じてそれぞれの散乱光を検知器３７で検知することができる。

図１９は、第１実施形態にかかるモニタリング装置の第９変形例を表す図であり、前方散乱光及び側方散乱光を検知するモニタリング装置を模式的に表す断面図を示す。

図示するように、モニタリング装置１１０は、光源８の構成と、検出部９の周囲を遮光する遮光板２９をさらに有すること以外は、図１と同様の構成を有する。モニタリング装置１１０では、光源８の代わりに、ＦＳＣを測定するための垂直照明光源３２と、ＳＳＣを測定するための水平照明光源３１とを備える。

モニタリング装置１１０を用いて、垂直照明光源３２による垂直光３２ａの照射と、水平照明光源３１により水平光３１ａの照射を逐次的に行ない、ＦＳＣとＳＳＣを各々測定することができる。また、それぞれの測定により、低コストで、コントラストが明確な視認性の良い画像が容易に得られる。

容器６としては、例えばポリスチレンやガラスなどの光透過性部材が用いられる。垂直、水平以外の角度から光を照射してもよい。第１光源の照射角度方向をファイバオプティクプレートのファイバー軸に対する第１角度例えば０度として、第２光源の照射角度を第１角度とは異なる第２角度例えば９０度とすることができる。これにより、ファイバオプティクプレートのファイバー軸に対し±６０度の範囲の角度で入射する散乱光を測定できる。ファイバオプティクプレート５及び半導体光センサ３の端面は遮光されていることが望ましい。遮光板２９を設ける代わりに支持部材４として黒色の部材を用いることができる。

（検出部の支持部材形状１）
図２２は、実施形態にかかるモニタリング装置の第１０変形例を示し、実施形態にかかるモニタリング装置の支持部材の構成を模式的に表す断面図を示す。

図示するように、容器６には、底６ｂに脚(foot)６２が設けられることがある。このような場合、モニタリング装置１４０の検出部９”に示すように、使用される支持部材４’は、その容器６側の端部４ａ’に段差を設けることができる。端部４ａ’のうち、ファイバオプティクプレート５の周囲の端部４−１は、入射面５ａと面一にすることができる。これにより、ファイバオプティクプレート５の入射面５ａと支持部材４の端部４−１は、容器６の底６ｂの領域６−１と密着し得る。一方、支持部材４の端部４−１の周囲の端部４−２は、ファイバオプティクプレート５のファイバー軸と平行な方向に端部４−１よりも距離ｔ２だけ下げることができる。距離ｔ２は、脚６２の高さｔ３よりも長くすることができる。これにより、このモニタリング装置１４０では、容器６に脚６２が設けられていても、支持部材４の端部４−２には接触しにくくなる。容器６の脚の高さｔ３は、０．１〜３．０ｍｍにすることができる。距離ｔ２は、０．１〜５．０ｍｍにすることができる。モニタリング装置１４０は、端部４ａ’に段差が設けられていること以外は、図１と同様の構成を有する。なお、ここでは、端部４−１のように、容器６の底６ｂに面する支持部材４の一部を載置部という。

（検出部の支持部材形状２）
図２３は、第１実施形態にかかるモニタリング装置の第１１変形例の検出部の斜視図を示す。

図２４に、図２３のＸ−Ｘ’断面図を示す。

また、図２５に、図２３のＹ−Ｙ’断面図を示す。

図２４及び図２５に示すように、モニタリング装置１５０は検出部９−１を含み、検出部９−１は、基板１の第２基板７２上に設けられたＣＭＯＳセンサ２と、ＣＭＯＳセンサ２上に設けられた図示しない画素アレイと、画素アレイを介してＣＭＯＳセンサ２上に設けられたファイバオプティクプレート５と、ファイバオプティクプレート５を支持する支持部材６４とを有する。

支持部材６４は、図２２に示す支持部材４’の他の一例を示し、載置部の形状が支持部材４’の載置部の形状とは異なる。図２３、図２４、及び図２５に示すように、支持部材６４は、載置部側に、ファイバオプティクプレート５の入射面５ａを中心としてその周囲を取り囲むように設けられ、入射面５ａに対し、少なくとも一部が面一に設けられた円形の第１端部４−１を有する第１凸部５３と、第１凸部５３と間隔をおいて、入射面５ａに対し、少なくとも一部が面一に設けられた半リング形状の第２端部４−３を有する第２凸部５４と、また、第１凸部５３を介して第２凸部５４に対向して、第１凸部５３と間隔をおいて、入射面５ａに対し、少なくとも一部が面一に設けられた半リング形状の第３端部４−４を有する第３凸部５５とを含む。第１端部４−１と第２端部４−３との間、第１端部４−１と第３端部４−４との間、及び第２端部４−３と第３端部４−４との間には、第１端部４−１と第２端部４−３と第３端部４−４よりもファイバオプティクプレート５のファイバー軸と平行な方向に所定の距離だけ下げられた第４端部４−２がある。第２端部４−３と第３端部４−４の外側には、第２端部４−３及び第３端部４−４よりもファイバオプティクプレート５のファイバー軸と平行な方向に所定の距離だけ下げられた第５端部４−５がある。端部４−１，４−３，４−４，４−２，及び４−５が、支持部材６４の端部６３を構成している。所定の距離は、観察に使用される容器の脚の長さよりも長くすることができる。

基板１は、第１プリント基板７１と、第１プリント基板７１の一方の主面上に設けられた第２基板７２と、第１プリント基板７１の他方の主面に設けられた、例えばＩＣ、コンデンサ、及びコネクタ等の部品７３とを有する。

第４端部４−２は、第１端部４−１と第２端部４−３と第３端部４−４よりもよりも下げられているので、例えば、図２２に示すモニタリング装置と同様に、観察に使用される容器の脚の凸部を第４端部４−２上で逃がし、容器の底部を、ファイバオプティクプレート５の入射面５ａと第１端部４−１に、十分密着させることが可能である。さらに、検出部９−１を有するモニタリング装置は、支持部材６４の載置部側に、第１凸部５３に加えて、第２凸部５４及び第３凸部５５が設けられていることにより、使用される容器の底の大きさが例えば図２２に示す容器の底の大きさよりも十分に大きい場合には、容器の脚の突起構造を第２端部４−３及び第３端部４−４よりも下げられた端部４−５上で逃がして、容器の底部を、ファイバオプティクプレート５の入射面５ａと第１端部４−１に、十分密着させることが可能である。また、このとき、容器の底部を、第１端部４−１と第２端部４−３と第３端部４−４で支持することができるので、第１端部４−１のみで支持するよりも、容器をより安定に載置して観察することが可能である。

例えば、大きさの異なる容器として、３５ｍｍ外径を有するディッシュ、６０ｍｍの外径を有するディッシュ、及び９０ｍｍの外径を有するディッシュを使用する場合には、端部６３の寸法として、第１端部４−１の直径を２０〜３０ｍｍ、端部４−２の幅を５〜２０ｍｍ、第２端部４−３及び第３端部４−４の幅を５〜２０ｍｍにすることにより、どの大きさのディッシュでも載置部に安定して載置することができる。また、端部６３の寸法が上述のような値であるとき、使用可能な容器の他の例として、例えばＴ１２．５、Ｔ２５、Ｔ７５の大きさのフラスコがあげられる。

また、第１凸部５３とファイバオプティクプレート５との間との隙間７４を、樹脂７５で埋めることができる。これにより、容器から漏れ出した溶液などによるＣＭＯＳセンサ２及び部品７３の動作不良を防ぐことができる。

図２６は、隙間に樹脂を埋める方法の一例を説明するための図を示す。

この図は、支持部材６４の側面７７から隙間７４にかけて注入孔７６が設けられていること以外は図２５と同様である。図示するように、隙間７４は、この注入孔７６から樹脂を注入することにより、樹脂７５で埋めることができる。樹脂７５の上面はファイバオプティクプレート５と面一にすることができる。

このような樹脂として、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂などの熱硬化性樹脂、ポリスチレン、ＡＢＳ樹脂、ホットメルト接着剤などの熱硬化性樹脂等があげられる。

なお、このモニタリング装置１５０の支持部材６４には、３つの凸部５３、５４、及び５５が設けられるが、４以上の凸部が設けられていてもよい。

（モニタリング装置の支持部材の材料）
例えば半導体光センサ上の細胞の培養容器の位置を動かさずに培養液を交換する場合、実験者は培養容器を載置部に置いたままＣＯ_２インキュベータからモニタリング装置を取り出し、クリーンベンチまで持ち運びを行う。その際、培養容器を固定具などを用いて装置に固定することは、取り外し工程も必要となり、作業性の悪化をもたらす。

このため、実施形態に係るモニタリング装置では、載置部に容器が滑りにくい領域を設けることができる。これにより、固定具などを用いることなく半導体光センサと容器の位置関係を維持しやすくなる。

このような領域を得るには、容器が滑りにくい材料を使用することができる。この材料は、支持部材の載置部の少なくとも一部、あるいは支持部材全体に使用することができる。

ここで、この材料には、傾斜時に少なくとも培養容器内の培養液がこぼれる角度よりも大きな角度で静止摩擦力が作用することが望ましい。言い換えれば、培養液がこぼれる角度よりも摩擦角θ０が大きいことが必要である。また、この材料は、容器と支持部材として使用される材料との静止摩擦力を計測することにより選択することができる。

図２７に、実施形態に用いられる静止摩擦力の計測方法を説明するための模式図を示す。

この模式図は、微小物及び微小物を保持するための溶液例えば培養液２５を収容し、円形の底部８６ｂを有する容器８６を、支持部材としての使用が考えられる材料で形成された板８４を、容器８６内の溶液２５がこぼれる角度よりも大きな角度θに傾斜させた様子を表している。矢印ｙ，ｚは、容器８６の底部８６ｂの中心を通り、互いに直交する方向を示す。ｙは底部８６ｂに沿った傾斜の方向である。ｚは底部８６ｂに対し垂直な方向である。２５ａは溶液の液面、２５ｃは溶液の底部を示す。

静止摩擦力μは、容器底部８６ｂと支持部材の板８４の載置部側の端面８４ａとの接触面８１に作用する。容器８６が支持部材の板８４を滑り出す角度を摩擦角とする。

摩擦角θ０と静止摩擦係数μの関係は式（１）で表される。
μ＝ｔａｎθ０…（１）
この関係は容器８６の巨視的な形状によらず、容器８６の材質と支持部材の板８４の材質の間で決まることが物理的に知られている。

溶液２５がこぼれる傾斜角度θを求めるための式の一例として、下記式（２）があげられる。

容器内の溶液の体積をＶ、容器高さをｈ、内径をｒとした場合、体積Ｖは下記式（２）で表される。

また、式（２）中のαは、下記式（３）で表される。

以下に、式（２）を導き出す過程を説明する。

まず、容器８６内の溶液２５の体積Ｖを算出するために使用する図を、図２８ないし３０示す。
図２８は、図２７の容器８６の斜視図を示す。
図中、矢印ｘ、ｙ，ｚは互いに直交する方向を示す。矢印ｘは、容器８６の底部８６ｂの中心を通り、底部８６ｂに沿ってｙに直交する方向である。また、２５ａは溶液の液面、境界線Ｂ０は、底部８６ｂと溶液２５の液面２５ａとの境界を表している。

図２９は、図２７の容器８６の矢印ｙ，ｚに沿った断面を表す模式図を示す。

図中、ｔは、高さｈを有する溶液２５の任意の高さを示す。

図３０は、容器８６を高さｔで切り取ったと仮定した場合の底部断面を表す模式図を示す。

図中、８６ｔは、任意の高さｔで切り取られた容器８６の底部を示す。８６ｃは、底部８６ｔの中心を示す。２５ｂは、任意の高さｔで切り取られた溶液２５の底部を表す。Ｂ(ｔ)は液面２５ａと底部２５ｂとの境界線を表す。φは、境界線Ｂｔと、容器８６の溶液底部８６ｔの中心８６ｃとのなす角度を示す。

底部２５ｂの面積Ｓ（ｔ）は、角度２φの扇型の面積から角度２φの三角形の面積を差し引いて、下記式（４）で表すことができる。

Ｓ（ｔ）＝ｒ^２（φ−ｃｏｓφｓｉｎφ）…（４）
図２９から、ｌ＝ｒ−ｒｃｏｓφで表されるので、
下記式（５）の関係を導き出すことができる。

式（５）を整理すると下記式（６）を導き出すことができる。

式（６）の両辺をφで微分すると、下記式（７）が得られる。

ここで任意の高さｔの値は０からhの範囲であり、φの値は、下記式（８）で表される値から０の範囲である。

溶液の体積ＶはＳ（ｔ）を高さ０からhの範囲で積分することにより求められる。これを下記式（２’）で表されるように、式（８）から０の範囲でφを用いて置換積分することにより、式(２)の右辺を導き出すことができる。

ここで、αは上記式（３）に示す。

例えば容器が直径３５ｍｍのディッシュ（高さ約１０ｍｍ、内径約１７．５ｍｍ）である場合、推奨される溶液の量は１．８ｍＬから２．７ｍＬとされている。

図３１に、上記式（２）を数値解析した結果として、傾斜角度θと溶液の体積Ｖとの関係を表すグラフ図を示す。

図中、曲線１２３は、傾斜角度θと溶液の体積Ｖとの関係を表す。

ここで、ｒ＝１７．５ｍｍ，ｈ＝１０ｍｍとした。推奨される溶液量２．７ｍＬにおいて、溶液がこぼれる傾斜角度θは２５度であり、少なくとも静止摩擦係数０．４７以上が必要であることが分かる。
実際には表面張力によるメニスカスが生じるが、培養液を用いた実験を行い、同等の結果であることを確認した。

実験１ 容器の静止摩擦係数μと最大傾斜角度の測定
支持部材材料として、白アルマイト処理をしたアルミニウム、ＡＢＳ樹脂、スチレン系熱可塑性エラストマーＡＲ７４１Ｂ（アロン化成社製）、スチレン系熱可塑性エラストマーＡＲ７９１Ｂ（アロン化成社製）、シリコーンゴム（デュロメーター硬さＡ５０）を板材に加工したものをそれぞれ用意した。

３５ｍｍの外径を有するポリスチレンディッシュ（ＭａｔＴｅｋ社製、Ｐ３５ＧＧ−０−１４−Ｃ）を上記各材料の板材に置き、傾斜角度θを走査することで、静止摩擦力μが働く摩擦角θ０に相当する最大傾斜角度を各々実験的に求めた。各実験は１２回ずつ行い、最大値と最小値を除いた平均値を求めた。得られた結果を下記表１に示す。

表１に示すように、一般的に筐体の部材で用いられるアルマイト処理されたアルミ板やＡＢＳでは、必要な静止摩擦係数０．４７よりも少ない値であった。これに対し、ＡＲ−７４１Ｂ、ＡＲ−７９１Ｂ等の熱可塑性エラストマーや、例えばデュロメーター硬さＡ５０のシリコーンゴムなどのゴム材料で静止摩擦係数０．４７以上となり、これを支持部材の材料として使用すると、載置部に容器が滑りにくい領域を設けることが可能となる。特に、ＡＲ−７４１Ｂやシリコーンゴムは、静止摩擦係数が１よりもはるかに大きく、傾斜角は４５℃よりも大きくなったことから、これらの材料を用いることにより、載置部に対し容器が滑りにくくなる効果がより高いと考えられる。

ここでは、支持部材材料を変化させたが、静止摩擦係数μは、支持部材材料と容器のそれぞれの材質に依存する。

なお、上記熱可塑性エラストマー及びシリコーンゴムは一例であり、容器が滑りにくい材料として、例えば、ポリオレフィン、ポリアミド、ウレタン等があげられる。

（異なる材質を含む筐体を備えたモニタリング装置）
図３２は、第１実施形態にかかるモニタリング装置の第１２変形例を表す斜視図である。
図３３は、図３２を異なる角度から見た斜視図である。

図３４は、図３２のＺ−Ｚ’断面図である。
恒温調整されている容器をインキュベータから取り出してモニタリング装置に載置する際、半導体光センサを含む電子回路部などからの発熱により、容器内外に温度差ができ、容器の一部が結露することがある。このため、容器内の結露を抑制し得るモニタリング装置が望まれている。

図示するように、このモニタリング装置１６０は、筐体９９を有する。筐体９９は、微小物が収容された容器を置くための載置部１１１ａが設けられた検出部を収容する筐体本体９２と、筐体本体９２と対向して配置され、微小物に光照射を行うための光源９８を収容する天井部９３と、天井部９３と筐体本体９２を接続する接続部９４とを有する。接続部９４には光源９８と検出部１１９とを電気的に接続する配線１３３が収容されている。

筐体本体９２は、仕切り板９５により上下２室に分かれており、上室９５ａには検出部１１９、下室９５ｂには検出部１１９と電気的に接続された乾電池ボックス１３１が各々収容されている。検出部１１９は、第１基板１１５の一方の主面上に設けられた第２基板１１４と、第２基板１１４上に設けられた半導体光センサ１１３と、半導体光センサ１１３上に図示しない画素アレイを介して設けられたファイバオプティクプレート１１２と、ファイバオプティクプレート１１２及び半導体光センサ１１３を支持する支持部材１１１とを有する。容器を載置可能な載置部１１１ａは支持部材１１１の一部であり、ファイバオプティクプレート１１２の入射面１１２ａ周囲に設けられている。第１基板１１５の他方の主面上には、コネクタ１１８により半導体光センサ１１３と電気的に接続された部品７３例えば無線モジュール、ＭＣＵ、メモリ等が搭載された第３基板１１６がスペーサ１１７を介して設けられている。

天井部９３には、配線１３３と接続され、ＬＥＤなどの光源９８が設けられた天井部基板１３２が収容されている。天井部９３の部材のうち天井部基板１３２の下方の部材９３ｂは、光源９８から照射される光が透過するための開口１４１を有する。天井部基板１３２はスペーサ１３４によって部材９３ｂ上に支持されている。

筐体９９には、例えば板状の部材を用いることができる。筐体本体９２の底部には、矩形の部材９２ａ、部材９２ａと対向する位置には、少なくとも載置部１１１ａに相当する部分に開口１４１を有する矩形の部材９２ｂが用いられる。また、矢印１３５から見て正面となる側面には部材９２ｅが用いられ、その左側面にはコの字型の部材９２ｃ、その右側面には、部材９２ｃとは線対称の形状を有する部材９２ｄが設けられている。また天井部９３の天板には部材９３ａ、正面には部材９３ｃが設けられている。天井部９３の部材９３ｂと、筐体本体９２の部材９２ｂとの間には、接続部９４の部材９４ｂが設けられている。また、その背面側には筐体本体９２及び接続部９４の部材９４ａが設けられている。

このモニタリング装置１６０では、部材９４ａと部材９２ａの材料として金属例えばアルミを使用し、それ以外の部材の材料として、樹脂例えばＡＢＳ樹脂を使用する。これにより、筐体本体９２内の第３基板１１６に搭載された無線モジュール、ＭＣＵ、メモリなどで発生する熱を逃がして、容器内外における温度差を低減し、容器内の結露を抑制することができる。

なお、図３４では、部材９４ａ及び部材９２ａとして金属材料、それ以外の部材として樹脂材料を使用したが、それに限定するものではなく、上記筐体９９を構成する部材のうち、少なくとも載置部１１１ａに相当する部分に開口を有する矩形の部材９２ｂの材料として例えば樹脂等の熱伝導性の低い第１材料を使用し、部材９２ｂ以外の部材の少なくとも１つに第１材料の熱伝導性よりも高い熱伝導性を有する第２材料例えば金属等を使用することができる。

第１材料としては、例えば、ＡＢＳ、アクリル、ＭＣナイロン、エポキシ、フッ素、ＰＥＥＫ、ゴムなどの樹脂材料があげられる。第２材料としては、例えば、アルミ、ステンレス、鉄、銅などの金属材料があげられる。

（天井部に回路基板を設けたモニタリング装置）
図３５は、第１実施形態にかかるモニタリング装置の第１３変形例を表す図を示す。

図示するように、このモニタリング装置１７０は、筐体９９’を有し、筐体９９’は、微小物が収容された容器を置くための載置部１１１ａが設けられた検出部を収容する筐体本体９２’と、筐体本体９２’と対向して配置され、微小物に光照射を行うための光源９８を収容する天井部９３’と、天井部９３’と筐体本体９２を接続する接続部９４とを有する。

筐体本体９２’は、仕切り板９５により上下２室に分かれており、上室９５ａには検出部１１９、下室９５ｂには検出部１１９と電気的に接続された乾電池ボックス１３１が各々収容されている。検出部１１９は、第１基板１１５の一方の主面上に設けられた第２基板１１４と、第２基板１１４上に設けられた半導体光センサ１１３と、半導体光センサ１１３上に図示しない画素アレイを介して設けられたファイバオプティクプレート１１２と、ファイバオプティクプレート１１２及び半導体光センサ１１３を支持する支持部材１１１とを有する。また、第１基板１１５の他方の主面上にはスペーサ１１７を介して仕切り板９５が設けられている。

天井部９３’には、配線１３３と接続され、ＬＥＤなどの光源９８が設けられた天井部基板１１６’が収容されている。天井部基板１１６’には、さらに無線モジュール、ＭＣＵ、メモリ等が搭載されている。

このように、図３４に記載のモニタリング装置１６０では、無線モジュール、ＭＣＵ、メモリ等の部品が搭載された第３基板が、容器の載置部１１１ａを有する筐体本体９２に設けられていたが、図３５に記載のモニタリング装置１７０では、これらの部品は、筐体本体９２’には設けられず、天井部９３’に収容された天井部基板１１６’に設けられている。これにより、無線モジュール、ＭＣＵ、メモリ等の部品と、容器との距離が離れるので、部品から発熱により容器内外の温度差が発生しにくくなり、容器内の結露を抑制することができる。

なお、接続部９４’には、光源９８及び無線モジュール、ＭＣＵ、メモリ等が搭載された天井部基板１１６’と、検出部１１９とを電気的に接続する配線１３３’が収容されている。

部材９２ａ’及び部材９４ａ’の材料として樹脂例えばＡＢＳ樹脂を適用する。

（モニタリング装置のその他の変形例）
上記第１実施形態にかかるモニタリング装置では、微小物としての細胞を容器内に収容して観察を行ったが、細胞を容器６に収容する代わりに、例えば光透過性を有するシール等を皮膚に直接貼付してはがすことにより角質の細胞を採取し、ファイバオプティクプレート５上に直接載置することができる。この場合、細胞をファイバオプティクプレート５上に接触させて観察することが可能なので、容器の底厚がない分、より明確な画像が得られる。

（モニタリングシステム）
図２０は、第２実施形態にかかるモニタリングシステムを表すブロック図を示す。

第２実施形態にかかるモニタリングシステム１２０は、第１実施形態にかかるモニタリング装置を用いて微小物を観察するシステムであって、図示するように、ノード側に設けられた、光源４１、光源４１から試料に光照射して得られた散乱光を検知し、画像データを得る検出部４２、サーバ側と通信を行い、前記検出部から得られた画像データをサーバ４４に送る通信部４３、及び光源４１、検出部４２、及び通信部４３を制御する制御部４６、及びサーバ側に設けられ、画像データを蓄積及び解析するサーバ４４とを有する。微小物が細胞であるとき発熱が細胞を害するため、ノード側の構成のうち光源４１と検出部４２は細胞培養環境内に置かれるが、制御部４６及び通信部４３は、細胞培養環境外に置くことができる。

光源４１及び検出部４２として、第１実施形態にかかるモニタリング装置に用いられる光源及び検出部を使用することができる。検出部４２は、例えば図１に示すような半導体光センサ３と、半導体光センサ３上に設けられた画素アレイ２と、画素アレイ２を介して半導体光センサ３上に設けられたファイバオプティクプレート５とを有することができる。ファイバオプティクプレート５は、微小物に照射された光のうち、ファイバオプティクプレートのファイバー軸に対し±６０度の範囲の角度で入射する光を受光して画像を形成する。

このモニタリングシステム１２０を用いて、使用者がスマートフォンやタブレットなどの端末４５から画像データをリクエストすると、サーバ４４は、通信部４３にトリガー信号を送信する。通信部４３は、制御部４６に画像データ取得のためのトリガー信号を与える。制御部４６は、画像取得モードとなり、光源４１をＯＮに制御して試料となる微小物に光照射を行い、検出部４２は、得られた散乱光を検知して画像データを取得する。取得した画像データは、制御部４６に送られ、通信用の画像データとして通信部４３に送信される。通信部４３は画像データをサーバ４４に送り、サーバ４４では、画像データ及びその解析データ等を蓄積することができる。このようにして、サーバ４４は、端末４５からのリクエストに応じて、画像データを取得し、送信することができる。

また、モニタリングシステム１２０を用いて一定時間ごとに画像データを取得することを、端末の自動受信機能を用いてあらかじめ設定することにより、定期的に画像データを受信することができる。

さらに、解析データに異常を検知したとき、アラートをメールの受信及び画面表示により通知するように、端末の自動受信機能を用いて設定することができる。

解析データとしては、細胞数や占有面積率からの細胞増殖度の定量、及び蛍光情報から細胞活性度の定量、培養液中の指示薬（フェノールレッド）の色から培養液のｐＨ濃度の定量などがあげられる。

（顕微鏡、セルカウンター、及びモニタリング装置の情報データの管理、解析を行うモニタリングシステム）
細胞培養を行う取扱者にとって、細胞のばらつきを管理することが研究の成功や生産物の品質の点で重要である。しかし、細胞内因的なばらつきだけでなく、環境要因や作業手技要因に対しても細胞は敏感であり、取扱者は培養条件の管理や、顕微鏡による都度の確認を慎重に行うことが求められる。

その培養に関連する情報を記録し、保管することが重要である。しかしながら、多岐にわたる項目を実験ノートに手書きすることは困難であり、その時点で必要最小限と考えられる項目（例えば細胞種や継代数、日時など）に限って記録を取ることが一般的である。

ここで、顕微鏡で確認した細胞の形態情報や、セルカウンターで測定された細胞数・生死率などの情報は、デジタルデータと実験ノートの紐づけが手間であり、記録として保管されない場合がある情報の一例である。しかし、ひとたび異常が発生した場合、記録が取れていない項目も検証対象としたくなるシーンが生じる。

また、実験ノートのようなアナログ的な記録は検索性が悪く、複数の情報を比較することも容易ではない。

このようなことから、図２０のモニタリングシステムに加えて、顕微鏡やセルカウンターの情報を管理し、解析を行うモニタリングシステムを得た。

図３６は、第２実施形態にかかるモニタリングシステムの他の例の構成を表す図を示す。

図３７は、図３６のモニタリングシステムを表すブロック図を示す。

図３６，図３７に示すように、このモニタリングシステム１８０は、例えば培養細胞顕微鏡、セルカウンター、及びモニタリング装置の測定データの管理、解析を行うシステムであって、細胞種、培養液、及びディッシュ等の培養条件及びその作業記録を入力するための培養条件、作業記録入力部１５１と、培養細胞の細胞形態、細胞数、及び生死率などを所定の時点で観測するエンドポイント情報部１５３と、所定の培養条件で細胞を培養しながらリアルタイムの異常、倍化時間、及び接着時間等をモニタリングする培養プロセス情報部１５４と、使用細胞のロットの管理、培養結果の過去との比較、及び進捗の可視化などのレポートを自動的に作成して蓄積するための、自動レポート作成、蓄積部１５５とを有する。

培養条件、作業記録入力部１５１として、例えばパーソナルコンピュータ（ＰＣ）やタブレット等の端末を用いることが可能であり、ここではＰＣ１５６の端末が用いられる。また、ＰＣ１５６は、表示部１５７を備え、サーバ１５２を介して、エンドポイント情報部１５３、培養プロセス情報部１５４、エンドポイント情報部１５３や培養プロセス情報部１５４における測定データを取得して解析する処理部１５８、及び自動レポート作成、蓄積部１５５と接続することができる。

入力部１５１から取扱者が入力する情報は、例えば、細胞種、継代数、用いた培養容器の種類、培養容器に実施されたコーティング、細胞培養液、細胞培養液に添加された血清、培養開始日時、及び培養終了日時等の情報である。また、過去に実施された培養条件をテンプレートとして選択できる機能を提供し、入力の手間を省くことができる。ＰＣ１５６は、入力データを処理してサーバ１５２に送ることができる。

エンドポイント情報部１５３は、顕微鏡１６１と、顕微鏡１６１に接続され、サーバ１５２と通信可能なＰＣ１６３と、セルカウンター１６２と、セルカウンター１６２に接続され、サーバ１５２と通信可能なドングルデバイス１６４と有する。

エンドポイント情報部１５３で得られる培養結果情報は、顕微鏡１６１で撮影された細胞の画像データ、およびセルカウンター１６２で測定された細胞濃度、細胞数、及び生死率等の測定データである。

一般的なセルカウンターにはＵＳＢメモリへのデータ出力機能が搭載されていることが多い。ここでは、セルカウンター１６２に、専用のＵＳＢ型ドングルデバイスを接続し、セルカウンター１６２からの取得データをサーバ１５２へ集約することができる。ＵＳＢ型ドングルデバイスとは、ＵＳＢメモリ機能と無線通信機能と送受信スクリプトの実行機能を有するデバイスのことをいう。例えば、ＵＳＢ型ドングルデバイスを用いてセルカウンターからのデータ書き込みを検知し、自動的にサーバ１５２へデータをアップロードすることができる。

カメラが搭載されたＰＣ等の端末に接続された顕微鏡を使用する場合、ＰＣの保存フォルダにある顕微鏡の取得データをオンラインサーバ１５２に集約することができる。カメラが搭載されているがネットワーク接続されていないＰＣ等の端末に接続された顕微鏡を使用する場合は、上記ＵＳＢ型ドングルデバイスを用いて取得データをサーバ１５２へ集約することができる。

カメラが搭載されていない顕微鏡を用いる場合、接眼レンズにデジタルカメラを取り付けるアタッチメント（市販されている）でデジタルカメラを取り付け、ネットワーク接続機能のあるメモリーカード例えばＦｌａｓｈ Ａｉｒ（登録商標）などにより、取得データをサーバ１５２へ集約することができる。

培養プロセス情報部１５４は、例えば、光源４１、及び光源４１から試料に光照射して得られた散乱光を検知し、画像データを得る検出部４２、サーバ１５２と通信を行い、検出部４２から得られた画像データをサーバ１５２に送る通信部４３、及び光源４１、検出部４２、及び通信部４３を制御する制御部４６を有する。光源４１及び検出部４２として、図２０に示すモニタリングシステムと同様に、第１実施形態にかかるモニタリング装置に用いられる光源及び検出部を使用することができる。検出部４２は、例えば図１に示すような半導体光センサ３と、半導体光センサ３上に設けられた画素アレイ２と、画素アレイ２を介して半導体光センサ３上に設けられた画像転送素子５例えばファイバオプティクプレートとを有することができる。

培養プロセス情報部１５４では、モニタリング装置１９０の検出部４２で得られたリアルタイムの細胞の画像データが得られる。また、その時系列の画像データを処理部５８において解析することにより、倍化時間、接着時間、動き、及び動きから推定された細胞の生死などの細胞の状態を表す情報が得られる。得られた情報は、処理部１５８からサーバ１５２に集約することができる。また、培養プロセス情報部１５４は、ＣＯ_２インキュベータ１６７とネットワーク接続することが可能であり、ＣＯ_２インキュベータ１６７から、ＣＯ_２濃度、Ｏ_２濃度、温度、及び湿度のデータを取得して、通信部１６５により自動的にサーバ１５２にアップロードすることができる。

リアルタイムの細胞の画像データ、及びＣＯ_２インキュベータ１６７における、ＣＯ_２濃度、Ｏ_２濃度、温度、及び湿度のデータは、通信部１６５によりサーバ１５２にアップロードすることができる。

また、サーバ１５２では、取得された細胞の状態を表す情報に基づき、リアルタイムにアラートすることが可能である。アラートする項目としては、細胞数やコンフルエンシーが閾値に達したこと、倍化時間が閾値を超えるまたは下回ること、及び接着時間が閾値を超えるまたは下回ることなどがあげられる。サーバ１５２では、アラートする項目を検知したとき、アラートを表示部１５７等にメールの受信及び画面表示などにより通知するように、ＰＣ１５６の自動受信機能を用いて設定することができる。

自動レポート作成、蓄積部１５５におけるレポートは、オンライン上でサーバ１５２において行われる。

図３８に、レポート画面の第１例を示す。

レポートされる培養結果の情報は、サーバ１５２から取得可能である。図示するように、例えば、レポート画面１７１の第１欄１８１には、この細胞培養試験ＩＤ：Ａの取扱者名、培養条件を記載することができる。ここでは、例えば、細胞種： ＨｅＬａ、継代数： ３、培養容器： １０ｃｍディッシュ、コーティング： コラーゲン、細胞培養液：ＤＭＥＭ、血清：ウシ血清、培養開始日時：２０２０／１／３ ９：００、培養終了日時：２０２０／１／６ ９：００が記載されている。

第１欄１８１の下の第２欄１８２、第３欄１８３、及び第４欄１８４には、各々、情報登録時刻に紐づけられたエンドポイント情報及び培養プロセス情報などを記載することができる。

ここでは、例えば、第２欄１８２には、１日目のセルカウンターの測定結果として、細胞濃度： ２×１０^６ ｃｅｌｌｓ／ｍＬ、生死率： ８０％、測定時刻：２０２０／１／３ ８：３０が記載されている。また、第３欄１８３には、２日目の顕微鏡の画像データと撮影時刻が記載されている。さらに、第４欄１８４には、４日目の顕微鏡の画像データと撮影時刻、及びセルカウンターの測定結果として、細胞濃度： ２×１０^６ ｃｅｌｌｓ／ｍＬ、 生死率： ８０％、 測定時刻：２０２０／１／６ ９：３０が記載されている。

また、取扱者は各欄に対して設けられた空欄１９１，１９２，１９３にコメントを付記することができる。ここでは、空欄１９１に、例として、１０倍で希釈して播種したことが記載されている。

図３９に、レポート画面の第２例を示す。

図示するように、第１欄１８１、第２欄１８２、第３欄１８３、及び第４欄１８４の各欄の隣に、第５欄２８１、第６欄２８２、第７欄２８３、及び第８欄２８４を設け、細胞培養試験ＩＤ：Ａと比較する培養試験ＩＤ：Ｂについて、第５欄２８１に培養条件、第６欄２８２、第７欄２８３、及び第８欄２８４には各々、情報登録時刻に紐づけられたエンドポイント情報及び培養プロセス情報などを記載することができる。また、過去の培養や同時に実施された培養の各情報との比較結果を記入して提示することができる。

例えば、第５欄２８１には、培養条件として、細胞種： ＨｅＬａ、継代数： ５、培養容器： １０ｃｍディッシュ、コーティング： コラーゲン、細胞培養液：ＤＭＥＭ、血清：ウシ血清、培養開始日時：２０２０／１／９ ９：００、培養終了日時：２０２０／１/１２ ９：００が記載されている。

また、例えば第６欄２８２には、１日目のセルカウンターの測定結果として、細胞濃度：２×１０^６ｃｅｌｌｓ／ｍＬ、生死率：８０％、測定時刻：２０２０／１／９ ８：３０が記載されている。第７欄２８３には、２日目の顕微鏡の画像データと撮影時刻が記載されている。さらに、第８欄２８４には、４日目の顕微鏡の画像データと撮影時刻、及びセルカウンターの測定結果として、細胞濃度：２×１０^６ ｃｅｌｌｓ／ｍＬ、生死率： ６０％、及び測定時刻：２０２０／１／１２ ９：３０が記載されている。

また、取扱者は各欄に対して設けられた空欄１９４，１９５，１９６にコメントを付記することができる。ここでは、空欄１９４に、例として、１０倍で希釈して播種したことが記載されている。

図４０に、レポート画面の第３例を示す。

図３９に示す培養試験ＩＤ：Ａと培養試験ＩＤ：Ｂについて、レポート画面１７３における比較結果の提示方法としては、時系列の推移、項目別のヒストグラム、及び２項以上の項目間の相関図などがあげられる。

図示するように、時系列の推移としては、例えば、培養試験ＩＤ：Ａと培養試験ＩＤ：Ｂについて、経過時間とコンフルエンシーとの関係を表すグラフ、経過時間と細胞数との関係を表すグラフがあげられる。また、項目別のヒストグラムとしては、倍化時間のヒストグラム、及び接着時間のヒストグラムがあげられる。さらに、２項以上の項目間の相関図としては、継代数と倍化時間との相関図、接着時間と動きから死んでいると推定される細胞の割合との相関図、及びセルカウンターで測定された生死率と動きから死んでいると推定される細胞の割合との相関図が記載できる。

図中、２１１，２１３，２１５，２１７，２１９は培養試験ＩＤ：Ａの結果を、２１２，２１４，２１６，２１８，２２１は培養試験ＩＤ：Ｂの結果を各々示す。

さらに、監督者がそのレポートの内容を承認する機能を有することができる。

さらに、そのレポートを共同研究者などの第三者にリンクとして共有する機能を有することができる。

エンドポイント情報に加え、培養プロセス情報を取得することによって、多項目にわたって定量的に細胞の培養結果を比較することが可能になる。さらに、多数の培養結果を比較することによって、各項目間や各項目から解析して得られた指標間で相関性の高い項目を明らかにすることができる。例えば、セルカウンターで測定された生死率に基づき、培養プロセス情報の時系列画像の解析における細胞の生死の推定アルゴリズムを改善することができる。

このように、このモニタリングシステム１８０を用いると、培養条件や作業記録をオンラインで記録し、エンドポイント情報や培養プロセス情報をオンラインに集約し、結果をレポートすることにより、細胞の培養において、細胞内因的な細胞のばらつき、及び環境要因、作業手技要因による細胞のばらつきを管理し、培養条件を調整して、生産物の品質を向上させることが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…基板、３…半導体光センサ、５…ファイバオプティクプレート、５ａ…入射面、５ｂ…出射面、６…容器、７…微小物、９…検出部、１０…モニタリング装置、１２０，１８０…モニタリングシステム、２００…ファイバー軸

Claims (22)

1. 微小物を載置する光透過可能な基材から受光可能な入射面及び前記入射面から入射した光を出射する出射面を有し、前記微小物の２次元画像情報を半導体光センサに転送する画像転送素子、及び前記出射面から受光する半導体光センサを備えた検出部を含むモニタリング装置。
2. 前記検出部は、前記画像転送素子及び前記半導体光センサを支持する支持部材をさらに含み、前記支持部材は、前記基材を載置する載置部を備え、前記載置部は前記入射面と面一の端部を含む請求項１に記載のモニタリング装置。
3. 前記載置部は、前記画像転送素子の入射面を取り囲み、少なくとも一部が前記入射面と面一に設けられた第１端部を含む第１凸部、及び前記第１凸部と間隔をおいて少なくとも一部が前記入射面と面一に設けられた第２端部を含む第２凸部を有する請求項２に記載のモニタリング装置。
4. 少なくとも一部が前記入射面と面一に設けられた第３端部を含む第３凸部をさらに有し、
   前記第２端部及び第３端部は、各々半リング状であり、前記第２凸部及び前記第３凸部は、前記第１凸部と間隔をおいて取り囲むように配置されている請求項３に記載のモニタリング装置。
5. 前記基材は容器の底部であり、前記容器内に前記微小物と溶液が収容され、
   前記載置部は、前記容器が滑り出す摩擦角θに傾斜させたとき、前記載置部の端部と、前記溶液を収容した前記容器の底部との静摩擦係数μが下記式（１）で表される関係を満足する領域を含む請求項２ないし４のいずれか１項に記載のモニタリング装置。
   μ＝tanθ０ …（１）
6. 前記基材上に設けられた平行光源と、前記画像転送素子、及び前記半導体光センサとの間に設けられ、所定の波長の光を遮断する光学フィルターとをさらに含む請求項１ないし５のいずれか１項に記載のモニタリング装置。
7. 前記検出部を設置するための基板をさらに含み、前記基材は、前記微小物を保持する溶液を収容する容器であり、前記基板上に、前記溶液の液面で反射して前記微小物に光を照射するように設けられた光源をさらに含む請求項１ないし６のいずれか１項に記載のモニタリング装置。
8. 前記容器上に前記光を反射する反射板をさらに設ける請求項７に記載のモニタリング装置。
9. 前記検出部を収容する筐体をさらに含み、
   前記筐体は、前記入射面を取り囲み、前記基材を載置可能な第１領域と、前記第１領域以外の第２領域とを備え、
   前記第２領域の少なくとも一部は前記第１領域の第１材料とは異なる第２材料からなり、前記第２材料は、前記第１材料の熱伝導性よりも高い熱伝導性を有する請求項１ないし８のいずれか１項に記載のモニタリング装置。
10. 前記検出部を収容する筐体をさらに含み、
    前記筐体は、
    前記画像転送素子、及び前記半導体光センサを収容し、前記微小物を載置する前記基材を載置可能な筐体本体と、
    前記筐体本体と対向配置され、前記微小物に光照射可能な光源、及び前記半導体光センサと電気的に接続された部品を搭載した回路基板を収容する天井部とを備える請求項１ないし６のいずれか１項に記載のモニタリング装置。
11. 前記検出部を設置するための基板をさらに含み、前記基板上に、前記検出部と前記基材との組み合わせが複数設けられた請求項１ないし１０のいずれか１項に記載のモニタリング装置。
12. 前記検出部を設置するための基板をさらに含み、前記基板上に前記検出部が複数設けられ、複数の前記検出部に対し、１つの基材が適用される請求項１ないし１０のいずれか１項に記載のモニタリング装置。
13. 前記検出部を設置するための基板をさらに含み、前記基板と、前記基板上に設けられた前記検出部と、前記検出部上に設けられた前記基材との組み合わせが２段以上に積み重ねられた請求項１ないし６のいずれか１項に記載のモニタリング装置。
14. ２段目以上の前記基板の前記検出部が設けられた面とは反対の面に、１つ下の段の前記基材と対向して設けられた光源をさらに含む請求項１３に記載のモニタリング装置。
15. 前記検出部は、各々前記画像転送素子及び前記半導体光センサを支持する支持部材をさらに含み、前記支持部材は、前記基材を載置する載置部を備え、前記載置部は前記入射面と面一の端部を含み、隣接する前記検出部の前記入射面及び前記端部は、互いに面一である請求項１１ないし１４のいずれか１項に記載のモニタリング装置。
16. 少なくとも前記半導体光センサを水平移動可能に支持する水平駆動機構をさらに含む請求項１ないし１５のいずれか１項に記載のモニタリング装置。
17. 前記画像転送素子は、ファイバオプティクプレート、セルフォックレンズ、またはセルフォックレンズアレイである請求項１ないし１６のいずれか１項に記載のモニタリング装置。
18. 前記画像転送素子は、ファイバオプティクプレートであり、前記ファイバオプティクプレートは、前記微小物に照射された光のうち前記ファイバオプティクプレートのファイバー軸に対し±６０度の範囲の角度で入射する光を受光して前記半導体光センサへ透過する請求項１７に記載のモニタリング装置。
19. 前記画像転送素子は、ファイバオプティクプレートであり、前記基材上に設けられ、前記微小物に前記ファイバオプティクプレートのファイバー軸に対し第１角度で光を照射する第１光源と、前記微小物に前記ファイバオプティクプレートのファイバー軸に対し前記第１角度とは異なる第２角度で光を照射する第２光源とをさらに含む請求項１７または１８に記載のモニタリング装置。
20. 請求項１から１９のいずれか１項に記載のモニタリング装置と、
    前記モニタリング装置の前記検出部から得られた画像データをサーバに送る通信部と、
    前記検出部、及び前記通信部を制御する制御部と、
    前記通信部からの画像データを蓄積及び解析するサーバとを具備するモニタリングシステム。
21. 前記モニタリング装置、前記通信部、及び前記制御部を備えた培養プロセス情報部と、前記通信部からのデータを蓄積するサーバとを含むモニタリングシステムであって、
    培養条件、及び作業記録を入力する培養条件、作業記録入力部と、
    顕微鏡及びセルカウンターを有するエンドポイント情報部と、
    前記培養プロセス情報部及び前記エンドポイント情報部で得られたデータを解析する処理部と、
    前記培養プロセス情報部、前記エンドポイント情報部、及び前記処理部で得られたデータに基づいて自動レポート作成し、蓄積する自動レポート作成、蓄積部をさらに含む請求項２０に記載のモニタリングシステム。
22. 前記エンドポイント情報部は、前記セルカウンターと接続され、ＵＳＢメモリ機能と無線通信機能と送受信スクリプトの実行機能を有するＵＳＢ型ドングルデバイスをさらに含む請求項２１に記載のモニタリングシステム。

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